D5 Dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMA)

Thema

Dieses Modell misst mittels dynamisch-mechanischer Analyse drei zusammenhängende Eigenschaften des Verbundwerkstoffs: den Speichermodul, den Verlustmodul und den Verlustfaktor. Die Analyse wendet eine oszillierende Last auf den Verbundwerkstoff an und verfolgt dessen Verformung als Reaktion darauf. Die resultierende Verformung ist nicht exakt phasengleich mit der angelegten Last, sondern ihr um einen bestimmten Winkel nacheilt. Diese Phasenverzögerung ermöglicht die Zerlegung der Materialreaktion in zwei separate Komponenten.

Die mit der angelegten Last phasengleiche Komponente definiert den Speichermodul und repräsentiert die elastische Energie, die der Verbundwerkstoff in jedem Zyklus speichert und freisetzt. Die um 90 Grad phasenverschobene Komponente definiert den Verlustmodul und repräsentiert die Energie, die der Verbundwerkstoff in jedem Zyklus als Wärme abgibt. Die Kombination dieser beiden Reaktionskomponenten ergibt den komplexen Modul, der die dynamische Reaktion des Verbundwerkstoffs auf die oszillierende Last vollständig beschreibt.

Die Tatsache, dass dieses komplexe Modul aus Speichermodul und Verlustmodul besteht, ermöglicht die Berechnung des Verlustfaktors: das Verhältnis zwischen der im Zyklus dissipierten und der gespeicherten bzw. elastisch freigesetzten Energie. Ein hoher Verlustmodul im Verhältnis zum Speichermodul führt zu einem höheren Verlustfaktor und einem viskoseren Verhalten des Materials; ein niedriger Verlustmodul im Verhältnis zum Speichermodul führt zu einem niedrigeren Verlustfaktor und einem elastischeren Verhalten.

Die Messung dieses Verlustfaktors bei verschiedenen Temperaturen ermöglicht die Bestimmung der Glasübergangstemperatur der Polymermatrix im Material: Mit steigender Temperatur erreicht der Verlustfaktor ein Maximum bei der Temperatur, bei der die Polymermatrix ihr Verhalten von einem starren Festkörper zu einem weichen Material ändert, da die Matrix genau bei diesem Übergang pro Belastungszyklus die größte Energie dissipiert. Da dieses Maximum des Verlustfaktors bei einer bestimmten Temperatur auftritt, wird diese Temperatur als Glasübergangstemperatur der Matrix definiert.

Dieses Modell ermittelt mithilfe der dynamisch-mechanischen Analyse, mit der es entwickelt wurde, die Glasübergangstemperatur als die effektive Glasübergangstemperatur der Polymermatrix. Diese wurde bereits in zwei anderen Modellen dieser Gruppe beschrieben, jedoch im fertigen Verbundwerkstoff und nicht im Harz allein gemessen. Genau diese Glasübergangstemperatur sinkt laut einem anderen Modell dieser Gruppe, wenn die Matrix Feuchtigkeit aufnimmt und dadurch weich wird.

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