Fiedler, BodoBodoFiedler1202622580000-0002-2734-1353Mittelhaus, JaninaJaninaMittelhaus2025-08-122025-08-122025Technisch-Wissenschaftliche Schriftreihe 49: (2025)https://hdl.handle.net/11420/56960Various studies show that the mechanical behavior of epoxy resins depends not only on the test temperature, the load case, and the test speed, but also on the test volume. This so-called size effect is evident in epoxy resins with an expected increase in strength. At the same time, there is also a significant increase in ductility as the test volume decreases. This means that the deformation behavior of microscale epoxy resins, such as the matrix areas between the fibers in fiberreinforced polymers (FRPs), differs significantly from the classic brittle behavior of standard bulk samples with comparatively large test volumes. However, to date, there is no comprehensive physical, mechanical-chemical, or molecular explanation for this increased ductile deformation capacity of microscale epoxy samples. For this reason, as part of this thesis, the mechanical behavior and underlying molecular mechanisms of epoxy resin films under tensile load were investigated with a greatly reduced test volume compared to standard samples. For this purpose, a suitable process was first developed and optimized to manufacture films with a thickness between 15 and 100 μm. The films produced were first examined using differential scanning calorimetry (DSC) and near-Infrared spectroscopy (NIR) with respect to their crosslinking behavior. No evidence of incomplete cross-linking was found. The samples were then shaped by punching and laser cutting the films. To clarify the relationships between the pronounced deformation capability and microstructural processes, the epoxy film samples were analyzed mechanically and spectroscopically in tensile, creep, fatigue, and relaxation tests. The loaded samples showed considerable necking and shear bands with a reduced thickness compared to the initial thickness. Shear bands were detected by photoelastic imaging. Ductility increased significantly with decreasing specimen thickness or reduced test volume. Film samples with a test volume of 0.06mm3 achieved elongations at break of up to 80% in tensile tests, which is significantly higher compared to standard bulk type 1BA samples with a test volume of 500mm3 (5-12% elongation at break) investigated in this study. In addition, the stress-strain curves of the film samples showed strain softening and hardening mechanisms during the deformation process. Spectroscopic methods were employed to analyze the molecular processes of macroscopic deformation. Polarized Raman and Infrared (IR) measurements revealed a molecular orientation of the main chains in the load direction. This explains the decrease and increase in stress after reaching the yield stress in the tensile test, as the chains “entangle” and align themselves in the load direction. After the stress has been partially relaxed by the molecular movements and macroscopically visible shear bands have formed, the stress increases again due to the strengthening effect of the molecular chains aligned in the tensile direction within the deformed sample. High-resolution microscopic IR investigations have also shown that within the deformed sample areas in the shear bands, the carbon bonds of the aromatics in the main chains are stretched, which is reflected in a peak shift towards lower wavenumbers. Following the orientation, there is therefore also a measurable elongation of the main molecular chains in the tensile direction. Digital image correlation (DIC) studies confirmed that high local strains and deformations occur particularly in the forming shear bands. In situ IR measurements also enabled a direct correlation of the decrease in the aromatic and stress-sensitive peak wavenumber with increasing macroscopic strain during mechanical tests. This allowed investigation of the stress states present in the epoxy under different external mechanical loads. For validation, the mechanically loaded and deformed samples were stored in an oven above the glass transition temperature Tg. This allowed the constricted samples to return to their original shape and the shear bands to be eliminated. After thermal annealing, the molecular main chains returned to an amorphous, undeformed state without long-range order. The shear bands and constrictions reappeared in the same way when the material was mechanically loaded again after thermal annealing. The high deformation ability of fully cross-linked epoxy can therefore be explained by reversible molecular structural changes in the form of alignment and stretching of the molecular chains, particularly in the area of the aromatic structures. The present doctoral thesis thus offers valuable insight into the molecular processes in microscopic test volumes that are favored by plane stress states and lead to an increased deformation capacity of epoxies. For even more accurate FRP modeling and design in microscale areas, the parameters of microscopic epoxy samples should be used instead of the mechanical properties of bulk epoxy samples to exploit the full potential of epoxies. In addition, the epoxy volume could be specifically reduced in critical areas of FRP, increasing the deformability locally.Verschiedene Studien zeigen, dass das mechanische Verhalten von Epoxidharzen neben der Testtemperatur, des Belastungsfalls und der Prüfgeschwindigkeit auch vom Volumen abhängt. Dieser sogenannte Größeneffekt (engl. size effect) zeigt sich bei Epoxidharzen mit einer erwarteten Zunahme der Festigkeit bei Abnahme des Volumens. Gleichzeitig kommt es auch zu einer signifikanten Erhöhung der Duktilität mit abnehmendem Prüfvolumen. Damit unterscheidet sich das Verformungsverhalten von mikroskaligen Epoxidharzen, wie sie beispielsweise als Matrixbereiche zwischen den Fasern in Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) vorliegen können, signifikant von dem klassisch spröden Verhalten von Standard Proben mit vergleichsweise großen Prüfvolumina. Bisher gibt es jedoch keine umfassende physikalische, mechanisch-chemische oder molekulare Erklärung für dieses erhöhte duktile Verformungsvermögen von mikroskaligen Epoxidharzbereichen. Aus diesem Grund wurde ihm Rahmen der vorliegenden Promotion das mechanische Verhalten und die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen von Epoxidharzfolien unter Zuglast mit im Vergleich zu Standardproben stark reduziertem Prüfvolumina untersucht. Dafür wurde zunächst ein geeignetes Verfahren zur Herstellung von Folien mit einer Dicke zwischen 15 bis 100 μm entwickelt und optimiert. Die hergestellten Folien wurden zunächst mittels Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Nahinfrarot- Spektroskopie (NIR) untersucht, um eine nahezu vollständige Vernetzung sicherzustellen. Dabei konnten keine Hinweise auf eine unvollständige Vernetzung gefunden werden. Durch anschließendes Stanzen und Laserschneiden der Folien erfolgte die Probenformgebung. Zur Aufklärung der Zusammenhänge zwischen dem ausgeprägten Verformungsvermögen und der mikrostrukturellen Vorgänge wurden die so erzeugten Proben in Zug-, Kriech, Ermüdungs- und Relaxationsversuchen mechanisch und spektroskopisch analysiert. Die belasteten Proben zeigten erhebliche Einschnürungen und es bilden sich Scherbänder mit im Vergleich zur Ausgangsdicke reduzierter Dicke aus, welche mittels spannungsoptischer Mikroskopaufnahmen nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Duktilität mit abnehmender Probendicke bzw. verringertem Prüfvolumen signifikant zunimmt. Folienproben mit einem Prüfvolumen von 0.06mm3 erreichten im Zugversuch Bruchdehnungen von bis zu 80 %, was signifikant erhöht ist im Vergleich zu den im Rahmen der Arbeit untersuchten Standard Proben vom Typ 1BA mit einem Prüfvolumen von 500mm3 (5-12% Bruchdehnung). Außerdem zeigten sich in den Spannungs-Dehnungs-Kurven der Folien Proben Dehnungserweichungs- und Kaltverfestigungsmechanismen während des Verformungsvorgangs. Mit spektroskopischen Methoden wurden parallel zu den makroskopischen die molekularen Vorgänge analysiert. Durch polarisierte Raman und Infrarot (IR) Messungen konnte eine molekulare Orientierung der Hauptketten in Lastrichtung nachgewiesen werden. Dies erklärt die Spannungsab- und -zunahme nach dem Erreichen der Fließspannung im Zugversuch, da die Ketten sich „entschlaufen“ und in Lastrichtung ausrichten. Nachdem die Spannung durch die Molekülbewegungen teilweise abgebaut wurde und sich in einigen Probenbereichen makroskopisch sichtbare Scherbänder gebildet haben, steigt die Spannung aufgrund der Verfestigungswirkung der in Zugrichtung ausgerichteten Molekülketten innerhalb der deformierenden Probe wieder an. Hochauflösende mikroskopische IR Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass innerhalb der verformten Probenbereichen in den Scherbändern die aromatische Kohlenstoffverbindungen in den Hauptketten verstreckt vorliegen, was sich in einer Peak Verschiebung (engl. Peak Shift) zu geringeren Wellenzahlen zeigt. Es kommt demnach im Anschluss an die Orientierung auch zu einer messbaren Dehnung der Molekülketten in Zugrichtung. Mittels Digitalen Bildkorrelations-Untersuchungen (DIC) konnte bestätigt werden, dass es insbesondere in den Scherbändern zu hohen lokalen Dehnungen und Verformungen kommt. IR Messungen ermöglichten zudem eine direkte Korrelation der aromatischen und spannungs-sensitiven Peak Wellenzahl und makroskopischer Dehnung. Dies ermöglichte die Untersuchung der im Epoxidharz vorliegenden Spannungszustände bei verschiedenen externen mechanischen Belastungen. Zur Validierung wurden die mechanisch belasteten und verformten Proben oberhalb der Glasübergangstemperatur ausgelagert. Dabei konnten die eingeschnürten Proben wieder in ihre Ausgangsform zurückgeführt werden und die Scherbänder vollständig eliminiert werden. Nach der thermischen Auslagerung, liegen die molekularen Hauptketten wieder in einem amorphen, unverstreckten Zustand ohne Fernordnung vor. Bei einer erneuten Belastung nach thermischer Rückführung, entstanden die Scherbänder und Einschnürungen wieder in gleicher Art und Weise. Die hohe Duktilität von vollständig vernetzten Epoxidharzen kann somit durch reversible molekulare Strukturänderungen in Form von Ausrichtung und Strecken der Molekülketten insbesondere im Bereich der aromatischen Strukturen erklärt werden. Die vorliegende Promotion bietet damit wertvolle Erkenntnisse in die durch ebene Spannungszustände begünstigten molekularen Vorgänge in mikroskopischen Prüfvolumina, welche zu einem erhöhten Verformungsvermögen von Epoxidharzen führen. Demnach sollten zukünftig für noch genauere FKV Modellierungen und Auslegungen in mikroskalaren Bereichen nicht die mechanischen Kennwerte von Standard- bzw. Norm-Probenkörpern verwendet werden, sondern die Kennwerter von mikroskopischen Proben, um das Materialverhalten von Epoxidharzen richtig zu berücksichtigen. Zudem könnte in kritischen FKV Bereichen gezielt das Harzvolumen reduziert und damit die Verformbarkeit lokal erhöht werden.enhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/epoxy filmsmechanical tesingIR microscopypolarized Raman microscopyshear bandsstrain hardening and softeningTechnology::620: Engineering::620.1: Engineering Mechanics and Materials ScienceDoctoral Thesishttps://doi.org/10.15480/882.1576810.15480/882.15768Sarlin, EssiEssiSarlinOther