Morphology and Fracture of Block Copolymer and Core-Shell Rubber Particle Modified Epoxies and their Carbon Fibre Reinforced Composites
- Carbon fibre reinforced epoxies (CFRE) are a class of high performance, light-weight composites
that show outstanding, weight-specific (thermo-)mechanical properties. A glassy and
highly cross-linked epoxy matrix provides the composite with a high thermal resistance, but
makes the CFRE also inherently brittle and susceptible to cracks and impacts. One strategy
to overcome this drawback and to improve fracture toughness of epoxy matrices is to modify
the underlying morphology with additional substructures (domains in the nano and/or micron
size range). This allows increasing the energy that is required to initiate or propagate a crack
within the material. The present work contributes to a better understanding of the effect
of substructure-forming, self-assembling block copolymers (BCP) and pre-formed core-shell
rubber particles (CSR) on the toughness and impact behaviour of thin CFREs and their epoxy
matrices. Using a new thermo-optical measurement technique, it is shown that the phaseseparation
process of BCP-rich domains is solely driven by the degree of cure of the epoxy
matrix. Also, it is found that the process of BCP phase-separation, e.g. the BCP-rich domain
size, changes strongly in the presence of carbon fibres. Low concentrations of BCPs (7wt.-%)
yield a 2.5-fold enhancement of the resistance to interlaminar fracture of the CFRE (Mode),
already. Using CSR particles, on the other hand, the energy required to initiate delamination
(Mode II) within the CFRE increases by 160 %. Subsequently, by a hybridization of BCP
and CSR modifiers, after low energy impacts, when both load cases occur in combination, a
synergistic damage volume reduction by more than 67% is achieved. Hence, the generated
material systems and the acquired understanding allow future CFRE based structures to be
even thinner than current design solutions, without affecting their structural integrity under
impact loads.
- Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind Hochleistungsverbundwerkstoffe, die sich
durch ihre thermischen und gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften auszeichnen.
Eine glasige, hochvernetzte Epoxidharzmatrix verleiht dem Material einen hohen thermischen
Widerstand, macht den Verbundwerkstoff jedoch auch spröde und anfällig für Risse und
schlagartige Beanspruchungen. Eine Möglichkeit, diese Schlüsseleigenschaft, die Zähigkeit
von Epoxidharzmatrixsystemen, zu erhöhen, ist die Modifikation der zugrundeliegenden
Morphologie; das Einbringen zusätzlicher Substrukturen erhöht den Widerstand des Materials
gegen Rissbildung und -fortschritt. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis
des Einflusses von Substruktur-bildenden, selbstorganisierenden Block-Copolymern (BCP)
und vorgeformten Kern-Schale-Partikeln (KSP) auf die Zähigkeit und die Schadenstoleranz
von dünnen CFK-Strukturen und deren Epoxidharzmatrizes. Mittels einer neuen, thermooptischen
Messmethode wird gezeigt, dass die Bildung von BCP-reichen Substrukturen alleine
vom chemischen Umsatz der Vernetzungsreaktion der Epoxidharzmatrix abhängt. Zudem
wird die Substrukturbildung im CFK stark durch die Anwesenheit der Kohlenstofffasern
beeinflusst. Bereits geringe BCP-Konzentrationen (7 Gew.-%) führen zu einer drastischen
Erhöhung (250 %) des interlaminaren Risswiderstands des Faserverbunds (Mode I). Eine
Modifikation mittels KSP wiederrum steigert den benötigten Energieeintrag zur Initiierung
von Delaminationen (160 %, Mode II). Durch eine Hybridisierung beider Modifikatoren ist
es so möglich, das Schädigungsvolumen unter Schlagbeanspruchung, wenn beide Lastfälle
kombiniert auftreten, um mehr als 67% zu verringern. Die generierten Materialsysteme und
das erarbeitete Verständnis erlauben es, zukünftig noch dünnere CFK-Strukturen herzustellen,
ohne deren Strukturintegrität bei Schlagbeanspruchung zu reduzieren.