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Das Verhalten von Faserverbundwerkstoffen auf Polymerbasis im Brandfall ist aufgrund ihrer organischen Matrix ein zentrales Thema in der Werkstoffentwicklung. Um unter Hitzeeinwirkung Flammbildung zu verhindern, den Brand einzudämmen oder zu löschen, werden den meisten Werkstoffen Flammschutzmittel (FSM) hinzugefügt. Gängige FSM haben jedoch einen Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Trägermaterials und dessen Eigenschaften. Dazu zählen die Erhöhung der Harzviskosität, Versprödung der Matrix oder die Freisetzung toxischer Stoffe im Brandfall. Ein zentrales Thema der aktuellen Entwicklung faserverstärkter Verbundwerkstoffe ist der Wechsel von Prepreg- hin zu Infusionsprozessen. Dabei spielt der Einfluss auf die Verarbeitbarkeit eine besondere Rolle, da viele FSM im Infusionsprozess aufgrund der Erhöhung der Harzviskosität, Agglomeration oder Filtereffekten nicht verarbeitet werden können.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, strukturelle Faserverbundwerkstoffe mithilfe eines Multi-Lagen-Aufbaus im Brandfall vor der Hitzeeinwirkung zu schützen, ohne die Bauteileigenschaften im Normalbetrieb zu beeinträchtigen. Dabei wurde der Ansatz verfolgt, in carbonfaserverstärkte Laminate auf Epoxidbasis Lagen aus Hochleistungsthermoplasten einzubringen, die im Brandfall als Intumeszenz- bzw. Barriereschicht dienen. Zur Evaluierung der Materialien wurden neben der Bestimmung des Brandverhaltens mittels Cone Kalorimetrie zusätzlich in der Luftfahrt zulassungsrelevante Prüfverfahren zur Bestimmung der Brennbarkeit, Flammausbreitung und der Freisetzung von Wärme, Rauch und toxischer Stoffe durchgeführt. Zusätzlich wurde die für den strukturellen Bereich wichtige Feuerbeständigkeit untersucht und kritische mechanische Größen, wie die interlaminaren Eigenschaften, Druckfestigkeit und die Impakt-Toleranz bestimmt. Darüber hinaus wurde die Beständigkeit des Materials gegenüber luftfahrtrelevanten Medien untersucht.
Neben der Materialcharakterisierung wurden die Mechanismen untersucht, die im Brandfall im Material ablaufen, um mit dem daraus resultierenden Verständnis das Material gezielt optimieren zu können. In diesem Zusammenhang wurde u.a. das Brandverhalten in Abhängigkeit von der Beaufschlagungstemperatur, Probendicke, Probenfeuchtigkeit und von mechanischen Schäden bestimmt. Außerdem wurden die freigesetzten Pyrolysegase und die Änderung der thermischen Eigenschaften des Materials betrachtet. Mithilfe modifizierter Cone Kalorimeter-Messungen wurde darüber hinaus die Temperaturverteilung und die Zersetzung des Materials über den Probenquerschnitt während der Messung beobachtet. Durch den Einfluss der Modifizierung auf die Verarbeitbarkeit, speziell im hier verwendeten Infusionsverfahren, wurde neben der Materialentwicklung auch der Verarbeitungsprozess betrachtet und angepasst. Ein Beispiel hierfür ist die Anpassung der Infusionstemperatur an die Löslichkeit der Thermoplaste im Harzsystem.
Die Arbeit zeigt, dass thermoplastische Zwischenlagen im Brandfall durch Intumeszenz bzw. Barriereeffekte das darunterliegende Material schützen. Dadurch wird die Restfestigkeit und die Zeit bis zum Versagen des Bauteils erhöht. Zudem wirken die Lagen zähmodifizierend und verbessern die mechanischen Eigenschaften im Normalbetrieb. Zusätzlich können die Lagen als Träger für zusätzliche Modifikatoren dienen.
Das Ziel dieser Promotionsarbeit war die Synthese von verschiedenen binären und ternären nano-Metallfluoriden mittels der fluorolytischen Sol-Gel-Synthese. Dabei wurden neue Syntheserouten zur Herstellung von Nanopartikeln entwickelt und die gebildeten Produkte auf ihre Eigenschaften hin analytisch untersucht.
Bei der Synthese der binären Metallfluoride lag der Fokus auf der Herstellung von Magnesiumfluorid aus Magnesiumethoxid, welches bisher für diese Art der Synthese nicht geeignet erschien. Diese Syntheseroute war möglich durch die Aktivierung von Magnesiumethoxid mittels Kohlenstoffdioxid, Magnesiumchlorid und weiterer Verbindungen. Es wurden ebenfalls umfangreiche Untersuchungen des Intermediates durchgeführt, das sich bei der Umsetzung von Magnesiumethoxid mit Kohlenstoffdioxid bildet. Über die verschiedenen Präkursoren war die Synthese von Solen, die Nanopartikel von unter 10 nm enthielten, möglich. Auch die Verwendbarkeit von dem so hergestellten nano-Magnesiumfluorid für antireflexive Beschichtungen von Gläsern konnte gezeigt werden. Bei der Herstellung von Lithiumfluorid wurde der Einfluss des verwendeten Lösungsmittels und der eingesetzten Präkursoren untersucht. Die Synthese von klaren Solen war möglich, wenn die Edukte im jeweils verwendeten Lösungsmittel löslich waren. Weiterhin konnten erfolgreich fluorolytische Sol-Gel-Synthesen von nanoskopischem Berylliumfluorid durchgeführt werden.
Ein Hauptaugenmerk bei der Sol-Gel-Synthese von ternären Metallfluoriden lag auf der Darstellung von nanoskopischem Kaliumfluorozinkat. Dabei war es möglich, Partikel mit einer Größe von 16nm zu synthetisieren. Die hergestellten Sole wurden weiterhin für eine Verwendung als Flussmittel optimiert, sodass es möglich war, Aluminium mit bis zu 5 g/m2 zu beschichten. Es konnten auch verschiedene Syntheserouten zur Herstellung von Lithiumfluoroberyllat gezeigt werden.