Mechanisms of thermoset plasticity explained on the basis of spectroscopic analysis and atomistic simulations

Eine unerwartete Besonderheit stellt bei Epoxidharzen die zunehmende Duktilität mit reduziertem Prüfvolumen dar. Dies wurde für unterschiedliche Epoxid-Harzsysteme in Form von mikroskopischen Fasern bereits nachgewiesen. Diese wiesen unter mechanische Last kein für das Material typisches sprödes Versagensverhalten auf, sondern ein duktiles Verhalten mit ausgeprägter Einschnürung. Die Duktilität bzw. die Bruchdehnung stieg bei den Untersuchungen mit abnehmendem Prüfvolumen an. Die reproduzierbare Herstellung von dünnen EP Filmen mit konstanter Dicke ist herausfordernd, erlaubt aber auf der anderen Seite die Untersuchung mittels Durchlichtinfrarotspektroskopie. Bei ersten mechanischen Untersuchungen von mikroskopischen Folien (d = 50 µm) aus Epoxidharz bildet diese unter Belastung Scherbänder aus und schnürten sich ebenfalls ein. Es gibt bisher keine vollständige Erklärung für diesen Effekt im Sinne der Plastizität. Aus diesem Grund werden die physikalischen, mechanochemischen und molekularen Mechanismen den damit verbundenen Spröd-Duktil-Übergang im Epoxidharz unter Last innerhalb dieses Projektes untersucht. Die Epoxidharzfolien mit reproduzierbaren, konstanten und einstellbaren Dicken werden ausgewählt, um Informationen über die molekularen Mechanismen, ihre Wechselwirkungen und das daraus resultierende makroskopischen mechanischen Verhalten zu erhalten. Mittels Infrarot Spektrometrie ist es möglich, durch spektrale Änderungen und Peak Verschiebung unter Last, Informationen über die inter- und intramolekularen Mechanismen zu erhalten, die während der in-situ mechanischen Prüfung wirken. Durch molekulardynamische Simulationen kann dann auf explizite molekulare Vibrationen bzw. Konfigurationen zurückgeschlossen werden. Dieser Dreiklang von Methoden, d.h. KI-geleitete Interpretation von IR-Spektren unter Verwendung idealisierter MD-Simulationsmodelle in Verbindung mit Experimenten an dünnen Epoxidfilmen, bietet die Möglichkeit, molekulare Prozesse der Plastizität in kleinen Volumen von Epoxiden zu verstehen. Die KI-geleiteten Simulationen, die auf hinreichend detaillierten ab initio-Berechnungen beruhen und auch anharmonische Effekte einschließen, sind der Schlüssel zur Erklärung von IR-Peakverschiebungen und allgemeineren Veränderungen in den Spektren, die auf spezifische molekulare Wechselwirkungen zurückgeführt werden können, und stellen somit eine Verbindung zu experimentell gewonnenen Spektren aus In-situ-Tests an dünnen Epoxidfilmen her. Mit diesem dazu gewonnenen Know-how wird es möglich, das Verhalten der Matrix in Zwischenphasen (Faserverbund), dünnen Beschichtungen und Klebstoffen grundlegender zu verstehen und Epoxid in neuen technischen Anwendungen einzusetzen. Aus materialwissenschaftlicher Sicht könnte die hier vorgeschlagene Forschung neue Einsichten in den strukturellen Entwurf zukünftiger Verbundwerkstoffe bringen.

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