Lilleodden, EricaEricaLilleodden11388059390000-0002-4014-0986Hablitzel, Murilo P.Murilo P.Hablitzel2022-01-272022-01-272022Technische Universität Hamburg (2022)http://hdl.handle.net/11420/11529Nanoporöses Gold (NPG) ist ein bikontinuierliches Netzwerk aus nanoskaligen Ligamenten und Poren, deren Dimensionen eingestellt werden können, um die Festigkeitserhöhung bei kleinen Ligamentgrößen auszunutzen. Dennoch ist seine Mechanik durch einen Mangel an Duktilität unter Zugbelastung limitiert. Kürzlich brachte die Imprägnierung der offen-porösen Struktur mit einer Epoxidharz-Phase ein Metall-Polymer Komposit hervor, welches Festigkeitserhöhung bei kleinen strukturellen Längenskalen mit verbesserter Zugduktilität verbindet. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, den Effekt von Faktoren zu klären, die das mechanische Verhalten von Kompositmaterialien beeinflussen, insbesondere die Eigenschaften der Epoxidharz-Phase und der Grenzfläche - Eigenschaften, die immer noch unerforcht sind in NPG-Epoxidharz Kompositen. Zu diesem Zweck wurden eine Reihe von neuartigen Vorgehensweisen entwickelt, um den unabhängigen Beitrag jeden Faktors zu untersuchen, mit dem Fokus auf die Entwicklung repräsentativer Modellproben, mikromechanischer Tests, und Finite Elemente Simulationen. Eine neuartige Methode zum Verständnis des Effektes der Kompositmikrostruktur im Epoxidharz wurde möglich gemacht durch die Absonderung der Matrixphase. In Anlehnung an Bergbautechniken wurde das Gold erfolgreich mittels einer Jod-Jodid Ätzlösung aus NPG-Polymer Kompositen ausgewaschen. Das verbleibende bikontinuierliche offen-poröse Polymer (NPP) wurde mit Nanoindentation untersucht, um mögliche Größeneffekte zu erforschen, wie solche, die in NPG gefunden wurden. Die Grenzfläche wurde durch ein Modellsystem untersucht, in dem eine einzelne, ebene Grenze zwischen Gold und Epoxidharz verwirklicht wurde. Unter Verwendung von sowohl Nanoindentationsansätzen als auch neuartigen Mikroscherungsexperimenten wurden der Interphasenbereich und die Grenzflächenstärke gemessen. Darüber hinaus regten die experimentellen Ergebnisse einen Modellierungsansatz der Grenzflächen für Finite Elemente Simulationen an, der angewendet wurde, um das Grenzflächenverhalten als Funktion des Gleichgewichtes zwischen Eigenschaften der konstituierenden Phasen und der Grenzfläche zu studieren. Das Grenzflächenmodell wurde auch zur Simulation des Effektes der Grenzflächenfestigkeit auf die mechanische Antwort und Delaminationsentwicklung der NPG-Epoxidharz Komposite verwendet. Die Ergebnisse aus den Untersuchungen der isolierten Faktoren verbesserten die Interpretation der mechanischen Antwort der Komposite. Es wurde kein Nachweis gefunden für einen strukturellen Längenskaleneffekt im Polymer, und die Antwort der isolierten Polymerphase konnte vorhergesagt werden durch ein Isostraingesetz, angewendet auf gemessene Bulk-Polymereigenschaften. Desweiteren wurden keine Anzeichen gefunden für die Anwesenheit einer Interphase zwischen der Gold und der Epoxidharz Phase Die Messung der Grenzflächenfestigkeit zeigte, dass die Grenzfläche in NPG-Epoxidharz Kompositen das schwächste Glied in der Kompositverformung ist, was auch in den Simulation beobachtet wurde. Der isolierte Effekt der Grenzflächeneigenschaften wurde im Komposit abgeschwächt durch die miteinander verbundenen Strukturen, die in Kompression den Lasttransfer selbst nach Grenzflächenversagen ermöglicht.Nanoporous gold (NPG) is a bicontinuous network of nanoscale gold ligaments and pores, the dimensions of which can be adjusted to exploit strengthening at small ligament sizes. Nevertheless, its mechanics are limited by the lack of ductility under tensile loading. Recently, the impregnation of the open porous structure with an epoxy phase created a metal-polymer composite that combined strengthening at small structural length-scales with enhanced tensile ductility. The present work aims to clarify the effect of factors influencing the mechanical behaviour of composite materials, particularly the properties of the epoxy phase and interface – properties that are still unexplored in NPG-epoxy composites. To this end, a series of novel approaches were developed to investigate the independent contribution of each factor, focusing on the development of representative model samples, micromechanical testing, and finite element simulation. A novel method to understand the effect of the composite microstructure in the epoxy was made possible by isolating the matrix phase. Taking inspiration from mining techniques, an approach based on gold etching in iodine-iodide solutions successfully leached out the Au from NPG-polymer composites. The remaining bi-continuous open porous polymer (NPP) was investigated using nanoindentation to explore possible size effects as those found in nanoporous gold. The interface was investigated using a model system where a single planar boundary between gold and epoxy was achieved. Using both nanoindentation approaches and novel microshear experiments, the interphase regime and interfacial strength were measured. Moreover, the experimental results inspired a modelling approach of the interfaces for finite element simulations, which was employed to study the interfacial behaviour as a function of the balance between the properties of constituent phases and interfaces. The interfacial model was also employed to simulate the effect of the interfacial strength on the mechanical response and delamination evolution of NPG-epoxy composites. The findings from the investigations on the isolated factors improved the interpretation of the composite mechanical response. No evidence of a structural length-scale effect in the polymer was found, and the response of the isolated polymer phase could be well predicted by an isostrain law applied to the properties measured on the bulk polymer. Furthermore, no evidence supporting the presence of an interlayer was found between the gold and epoxy phases. The measurement of the interfacial strength showed that the interface in NPG-epoxy composite is the weakest link in the composite's deformation, which was also observed in the simulations. The isolated effect of the interfacial properties was attenuated in the composite by the interconnected structure, which in compression allows the load transfer even after interface failure.enhttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/IngenieurwissenschaftenDoctoral Thesis10.15480/882.411010.15480/882.4110Düster, AlexanderAlexanderDüsterOther