On the influence of temperature and humidity on interfaces in carbon fiber reinforced polyamide 6

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin die Charakteristiken von Grenzflächen innerhalb Kohlenstofffaserverstärktem Polyamid 6 experimentell sowie numerisch zu untersuchen. Hierbei wurden variable klimatische Randbedingungen in Form von Temperatur und Feuchtigkeit berücksichtigt. Es wurde zwischen der mikroskopischen Grenzfläche, also der Anbindung von Faser und Polymer, sowie einer makroskopischen Grenzfläche zwischen kontinuierlich (Co) und diskontinuierlich (Dico) verstärkten Materialien innerhalb eines Verbund-Hybriden, dem Co-Dico-Verbund, unterschieden. Die verschiedenen Grenzflächen bedingen die Übertragung von Spannungen zwischen Faser und Matrix bzw. ... mehrden verschiedenen Schichtungen im hybriden Verbund und sind daher entscheidend für die effektiven mechanischen Eigenschaften und die Belastbarkeit des untersuchten Kompositen. Es ist daher essentiell die Mechanismen entlang der Grenzflächen während Belastung und Überlastung zu verstehen. Durch die hygroskope Eigenschaft des untersuchten Polymers ist es zudem von hoher Relevanz die Einflüsse von klimatischen Randbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften dieser Grenzflächen zu untersuchen. Um die klimatischen Einflüsse auf die Grenzflächeneigenschaften besser von den Einflüssen auf das Matrixverhalten zu trennen, wurden zunächst Kriechversuche am reinen Polymer unter vier verschiedenen Temperatur-Feuchtigkeits-Kombinationen durchgeführt, worauf ein nichtlineares visko-elastisches Modell nach Schapery mit guter Übereinstimmung angepasst wurde. Zur Untersuchung der Faser-Matrix-Anbindung wurde der Single Fiber Pull-Out Test verwendet, wobei die experimentelle Methodik um eine Klimatisierung während des Versuchs erweitert wurde. Hierdurch konnte ermöglicht werden, dass die Experimente ebenfalls unter den vier verschiedenen Temperatur-Feuchtigkeits-Kombinationen durchgeführt werden konnten. Die Eigenschaften der makroskopischen Grenzfläche wurden erstmals mithilfe des Climbing-Drum-Peel Tests untersucht, wobei die Proben unter unterschiedlichen relativen Feuchtigkeiten konditioniert wurden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine starke, nichtlineare Abhängigkeit von Temperatur und Feuchtigkeit, sowohl des reinen Matrixverhaltens, als auch der beiden Grenzflächen. Die Feuchtigkeitsaufnahme führt zu einer Verschlechterung der vorwiegend mechanischen Faser-Matrix-Anbindung. Die numerischen Untersuchungen anhand des kalibrierten Modells konnten die Mechanismen auf reduzierte Eigenspannungsfelder aufgrund hygroskoper Volumenzunahme zurückführen. Im Falle der Co-Dico-Grenzfläche zeigte sich, dass die Feuchtigkeitsaufnahme aufgrund des plastifizierenden Einflusses von Wasser mit einer verbesserten Risszähigkeit einhergeht, bevor eine zusätzliche Feuchtigkeitsaufnahme und die daraus resultierende hydrolylitische Schädigung der Polymerketten zu einer erneuten Verringerung der Zähigkeit führen. Die Kombination der Ergebnisse beider Grenzflächen zeigte, dass es eine komplexe Wechselwirkung zwischen den Grenzflächen gibt, sodass die Abnahme der Haftung innerhalb der Faser-Matrix-Grenzfläche durchaus zu einer gezielten Verbesserung der mechanischen Eigenschaften innerhalb der Co-Dico-Grenzfläche führen kann. Dies verdeutlicht die Bedeutung einer umfassenden Untersuchung der Eigenschaften von Grenzflächen und ihres Einflusses auf das effektive Verhalten von Verbundwerkstoffen unter verschiedenen klimatischen Randbedingungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum tieferen Verständnis der Grenzflächenmechaniken auf verschiedenen Skalen innerhalb thermoplastischer Faserverbunde bei. Das Berücksichtigen dieser Erkenntnisse in relevanten Anwendungsfällen, wie dem Leichtbau, trägt zu einer gezielten und anwendungsgerechten Auslegung hochkomplexer Bauteile bei.

The goal of this work was to experimentally and numerically investigate the characteristics of interfaces within carbon fiber reinforced polyamide 6. Variable climatic boundary conditions, such as temperature and humidity, were considered in the study. A distinction was made between the microscopic interface, which involves the bonding of fiber and polymer, and a macroscopic interface between continuously (Co) and discontinuously (Dico) reinforced materials within a composite hybrid, i.e., the Co-Dico composite. These interfaces significantly influence stress transfer between the fiber and matrix, as well as among the varying layers in the hybrid composite, making them crucial for the effective mechanical properties and load-bearing capacity of the studied composite. ... mehrUnderstanding the mechanisms at the interfaces during loading and overstressing is therefore essential. Due to the hygroscopic nature of the investigated polymer, it is also pertinent to examine the effects of climatic boundary conditions on the mechanical properties of these interfaces. To better isolate climatic influences on interfacial properties from those affecting matrix behavior, creep tests were first conducted on the pure polymer under four different temperature-humidity combinations, followed by fitting a nonlinear viscoelastic Schapery model with good agreement. The single fiber pull-out test was employed to study fiber-matrix bonding, with the experimental methodology enhanced to allow conditioning during the test. This enabled experiments to be conducted under the four distinct temperature-humidity combinations. The macroscopic interface properties were investigated for the first time using the climbing drum peel test, with samples conditioned under varying relative humidities. The experimental results exhibit a strong, nonlinear dependency on temperature and humidity for both the pure matrix behavior and the two interfaces. Moisture absorption leads to a deterioration of the primarily mechanical fiber-matrix bonding. The numerical investigations based on the calibrated model attributed the mechanisms to reduced residual stress fields due to hygroscopic swelling. For the Co-Dico interface, it was observed that moisture absorption, due to the plasticizing effect of water, correlates with improved fracture toughness, before further moisture uptake and resulting hydrolytic damage to the polymer chains lead to a subsequent reduction in toughness. The combined results from both interfaces demonstrated a complex interaction, such that the decrease in adhesion within the fiber-matrix interface can indeed result in targeted improvements of the mechanical properties within the Co-Dico interface. This emphasizes the importance of a comprehensive examination of interface properties and their influence on the effective behavior of composites under varying climatic conditions. The findings of this work contribute to a deeper understanding of interfacial mechanics at different scales within thermoplastic fiber composites. Considering these insights in relevant applications, such as lightweight construction, aids in the targeted and application specific design of highly complex components.