Einfluss der Grenzflächenstruktur auf die mikro-mechanischen Versagensmechanismen metallisierter Faserverbundkunststoffe

Titelangaben

Njuhovic, Edin:
Einfluss der Grenzflächenstruktur auf die mikro-mechanischen Versagensmechanismen metallisierter Faserverbundkunststoffe.
Bayreuth , 2018 . - VII, 166 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Die Entwicklung von Speichersystemen für z. B. flüssigen Wasserstoff für zukünftige energie und kosteneffiziente Transportsysteme gewinnt zunehmend an Bedeutung. Aufgrund der hohen gewichtsbezogenen Steifigkeit und Festigkeit von Faserverbundkunststoffen (FVK) sind diese Werkstoffe hierfür von besonderem Interesse. Allerdings zeigen Faserverbundkunststoffe im Vergleich zu Metallen eine sehr hohe Gaspermeation und Leckrate gegenüber Wasserstoff. Durch eine Kupferbeschichtung kann eine hochfunktionale Permeationssperrschicht erzeugt und so eine ausreichend hohe Dichtheit erreicht werden. Der Einsatz kupferbeschichteter FVK für Speichersysteme stellt für einen beständigen Polymer-Metall-Verbund jedoch eine besondere materialwissenschaftliche Herausforderung an die Grenzschicht bzw. die Interphase zwischen dem FVK und der Beschichtung dar. Das Versagen der Interphase durch mechanische Belastungen ist sehr stark von der Adhäsion zwischen abgeschiedener Kupferschicht und Substratoberfläche abhängig. Somit spielen erstens grundlegende Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen der Oberflächenstruktur der FVK-Substrate und der Haftfestigkeit der abgeschiedenen Kupferschicht und zweitens die mikro-mechanischen Versagensmechanismen der beschichteten Substrate unter mechanischen Lasten eine zentrale Rolle der vorliegenden Arbeit. Daher war das Ziel der Arbeit die Haftfestigkeit zwischen duromeren Faserverbundkunststoffen und abgeschiedener Kupferschichten durch eine gezielte Oberflächenbehandlung zu verbessern und mit Hilfe der Schallemissionsanalyse auftretende Versagensmechanismen insbesondere in der Grenzschicht quantitativ zu untersuchen. Dazu wurden kohlenstofffaser- und glasfaserverstärkte Epoxidharzsubstrate durch mechanische, chemische oder elektrische Oberflächenbehandlungsverfahren vorbehandelt und durch einen stromlosen und galvanischen Abscheideprozess beschichtet. Die Oberflächenstruktur der FVK-Substrate hat je nach Adhäsionsmechanismus einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Haftfestigkeit der abgeschiedenen Kupferschicht. Durch eine nasschemische Behandlung mit Essigsäure von polyestervliesmodifizierten glasfaserverstärkten Epoxidharzsubstraten konnte die Schälfestigkeit von 0,8 N/mm übertroffen und somit eine alternative schonendere Vorbehandlungsmethode zu der klassischen mit Chromschwefelsäure entwickelt werden. Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse konnten die Versagensmechanismen im Schälversuch in adhäsives und kohäsives Versagen in der Grenzschicht klassifiziert werden. Weiterhin war eine Quantifizierung der Anteile der einzelnen Grenzschichtversagensmechanismen möglich. In quasistatischen Zugversuchen konnten die Signale bei den metallisierten Proben durch die Anwendung von Mustererkennungsverfahren in die Versagensmechanismen Matrixrisse, Faser-Matrix-Grenzflächen-Versagen, Faserbrüche und Grenzschichtversagen Substrat-Beschichtung klassifiziert werden.

Abstract in weiterer Sprache

The development of storage systems for i.e. liquid hydrogen for future energy and cost efficient transport systems is becoming increasingly more important. The use of fibre-reinforced plastics for leightweight vessels are of special interest due to their high stiffness and strength to weight ratio. However, fiber reinforced plastics have very high permeability and leakage rates for hydrogen compared to metal. To meet these high leak-tightness requirements a copper coating can be used as a highly functional permeation barrier. But the use of copper coated fibre reinforced plastics for storage systems presents a specific challenge for a stable polymer metal composite regarding the interphase between the composite substrate and the coating. Failure of the interphase due to mechanical loadings strongly depends on the adhesion between the deposited copper and the substrate surface. Therefore, fundamental structure-property relationships between the surface structure of the composite substrate and the adhesion of the copper coating and secondly the micro-mechanical failure mechanisms of the coated substrate under mechanical loadings play a major role in this work. Thus, the goal of the work was to improve the adhesion between thermoset fibre-reinforced plastics and electroplated copper coatings by a specific surface treatment and to quantitatively investigate occuring failure mechanisms particularly within the interphase by means of acoustic emission analysis. For this purpose carbon and glass fibre-reinforced epoxy substrates were pre-treated with a mechanical, chemical or electrical pre-treatment method and coated by an electroless/electrolytical plating process. As a result the surface structure of the composite substrate significantly influences the resulting peel strength depending on the existing adhesion mechanism. The peel strength of 0,8 N/mm could be exceeded by chemical treatment of a polyester fleece modified GFRP-Substrate with acetic acid and hence an alternative more gentle pre-treatment method to chromic acid could be developed. Two different failure mechanisms within the interphase could be correlated with the results from acoustic emission signal analysis during peel testing, namely adhesive and cohesive failure. Futhermore, a quantification of the amount of each interphase failure mechanism was possible. During quasistatic tensile testing, differences in peak frequency, frequency distribution and the use of pattern recognition techniques allowed classifying the signal into three failure mechanisms for the uncoated samples and four failure mechanisms for the coated samples, namely matrix cracking, fibre-matrix interface failure, fibre breakage and substrate-coating interface failure.