Werkstofftechnik 1 Vorlesung 2024 PDF

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in de...

Vorlesung Werkstofftechnik 1 gehalten durch Dr.-Ing. Lutwin Spix Dr. Lutwin Spix 1 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Vorwort Diese Foliensammlung stellt eine Kurzzusammenfassung der in der Vorlesung behandelten Themen dar und ersetzt nicht den Besuch der Vorlesung/Übungen. Sie ist mit erheblicher Unterstützung von Herrn Jens Mannel entstanden. Die Struktur und der Inhalt der Vorlesung wurde durch Herrn Prof. Dr. Barth erarbeitet. Für die Erlaubnis, diese nutzen zu dürfen, bedanke ich mich ausdrücklich. Der Umdruck ist zur ausschließlichen Verwendung zu Lehrzwecken im Rahmen von Lehrveranstaltungen an der TH-OWL bestimmt, jegliche weitere Verwendung ist aus urheberrechtlichen Gründen untersagt. Lemgo, Sept. 2024 Dr. Lutwin Spix Literaturempfehlungen: Bonten, C.: Kunststofftechnik; Hanser Verlag; ist als pdf in der DigiBib der TH OWL für Studierende kostenlos erhältlich Domininghaus, H.; Kunststoffe - Eigenschaften und Anwendungen, Springer Verlag Dr. Lutwin Spix 2 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 46 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Übersicht Welche elektrischen Eigenschaften für Kunststoffe gibt es? Elektrische Leitung o Durchgangswiderstand o Oberflächenwiderstand Dielektrisches Verhalten o statisches elektrisches Feld o elektrisches Wechselfeld Spezielle elektrische Eigenschaften o Statische Aufladung o elektrische Durchschlagsfestigkeit o Elektrooptische Polymere (OLED) o Piezzoelektrische Kunststoffe o Elektret o …… Dr. Lutwin Spix 47 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitung Für elektrische Leitung werden freie Elektronen gebraucht. Besonders leicht lassen sich die Elektronen der äußersten Schale ablösen. Diese Elektronen nennt man Valenzelektronen. Durch eine Elektrisches Feld bewegen sich die Valenzelektronen in Richtung des Pluspols. Dabei stoßen sie gegen Atome und andere Elektronen und werden dadurch gebremst. Das abbremsen führt zu dem, was spezifischer Widerstand eines Leiters genannt wird. Dr. Lutwin Spix 48 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitung Elektrischer Widerstand in Bezug auf Spannung und Strom R [ Ω = Ohm ] und Leitwert G [ S = Siemens] U 1 R= = U=Spannung, I=Strom I G Ω∗𝑚𝑚² 𝜌 = spezifischer Widerstand eines Materials 𝑚 𝑚 𝑆 𝜎 = spezifische Leitfähigkeit eines Materials = 106 𝑚 Ω∗𝑚𝑚² Elektrischer Widerstand in Bezug auf Material und Geometrie l Ω ∗ mm² l m 𝜌=spezifischer Widerstand RΩ =ρ =ρ l=Länge, A=Fläche A m A mm² 1 l 1 R Ω = σ∗A=G Dr. Lutwin Spix 49 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitung Kunststoffe haben durch starke kovalente Bindungen, fast keine freien Elektronen. Daher ist ihre Leitfähigkeit gering.  [S / cm ] = [Ω * cm ] -1 Cu 106 PAC PPV Fe 104 Halbleiter Leiter 2 PPP PPY PTH PANI 10 100 10-2 n Si 10-4 NH Nn n 10-6 H 10-8 S n n 10-10 Isolator n 10-12 PVC, PA 10-14 PE 10-16 PS PTFE 10-18 Anmerkung: Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit haben auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit Dr. Lutwin Spix 50 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitung Der spezifische Widerstand ist von mehreren Randbedingungen abhängig. Der spezifische Widerstand ist immer temperaturabhängig Kunststoffe: höhere molekulare Beweglichkeit führt zu einer Abnahme des spezifischen Widerstandes Metalle: durch die höhere Bewegung der Atome steigt die Wahrscheinlichkeit einer Kollision der freien Elektronen mit einem Atom und damit steigt der spezifische Widerstand Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 51 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitung Der Durchgangswiderstand lässt sich durch Füllstoffe beeinflussen Je geringer der Abstand zwischen den leitfähigen Partikeln ist, desto höher die Leitfähigkeit (bzw. desto niedriger ist der Widerstand) Der Wert, bei dem sich derartige leitfähige Brücken zu bilden beginnen, wird Perkolationsschwelle genannt. Weitere Einflüsse: die Form der Füllstoffpartikel, die Ausrichtung der Füllstoffpartikel, die elektrische Leitfähigkeit der Füllstoffpartikel, gegebenenfalls eine Wechselwirkung zwischen Additiv und Polymermatrix (die Form und Ausrichtung der Füllstoffpartikel beeinflussen können). Dr. Lutwin Spix Quelle :Domininghaus Kunststoffe, 52 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Eigenschaften und Anwendungen Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitung Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 53 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Durchgangswiderstand von Kunststoffen Duroplaste Prof. Dr. Chr. Barth 54 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Elektrische Eigenschaften Messung Werkstoffspezifischer Widerstände Stromfluss Spannungselektrode Durchgangswiderstand Spannungsquelle V Probekörper Messelektrode Schutzringelektrode A Schutzringelektrode Oberflächenwiderstand Spannungsquelle V Probekörper Stromflu Messelektrode Spannungselektrode ß A Prof. Dr. Chr. Barth 55 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Physikalische Eigenschaften Kriechstromfestigkeit Tropfengeber  40 mm 𝛺 4 mm Platinelektrode 60° Kunststoff- probe Prof. Dr. Chr. Barth 56 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder Bei Vakuum 𝑈 Elektrische Feldstärke: 𝐸= 𝑑 d 𝐴 Elektrische Ladung: 𝑄 = 𝜀0 ∗ 𝐸 ∗ 𝐴 = 𝜀0 ∗ 𝑈 ∗ 𝑑 𝐴∗𝑠 o Permittivitätskonstante bei Vakuum 𝜀0 = 8,854 10−12 𝑉∗𝑚 Elektrische Kapazität eines Plattenkondensators im Vakuum: 𝑄 𝐴 𝐶 = = 𝜀0 𝑈 𝑑 Dr. Lutwin Spix 57 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder d Dr. Lutwin Spix 58 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder Mit einem Dielektrikum Elektrische Feldstärke: 𝐸′ = 𝐸 + 𝑃 𝑃 = Feldstärke durch Polarisation 𝐶′ relative Dielektrizitätszahl oder Permittivität 𝜀𝑟 = 𝐶 A Elektrische Ladung: Q ′ = ε0 ∗ E ′ ∗ A = ε0 εr ∗ U ∗ d 𝑄′ Elektrische Kapazität: 𝐶′ = 𝑈 Elektrische Kapazität eines Plattenkondensators mit Dielektrikum: ′ 𝐴 𝐶 = 𝜀0 𝜀𝑟 𝑑 Dr. Lutwin Spix 59 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder Polarisationsmechanismen Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 60 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder: Relative Permittivität εr Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 61 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder Orientierungspolarisation Anmerkung: Werkstoffe mit hohen Dipolmomenten haben gute Bindefestigkeiten zu anderen Festkörpern und sind daher deutlich besser zu kleben oder als Kleber einzusetzen. Dr. Lutwin Spix Quelle :Bonnet: Youtube, Aufbau und 62 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Eigenschaften von Kunststoffen Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder Wenn die Dipole den Richtungsänderungen nicht mehr folgen können, entsteht eine Phasenverschiebung zwischen elektrischem Feld und Ausrichtung des Dipols. 𝜀′′ Der Verlustfaktor ist definiert als: 𝑡𝑎𝑛 𝛿 = 𝑡𝑎𝑛 90° − 𝜑 = 𝜀′ 𝜀 = 𝜀 ′ − 𝑖𝜀 ′′ unpolar polar Dr. Lutwin Spix 63 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Elektrische Eigenschaften Elektrische Felder Relative Permittivität εr eines Polaren Kunststoffs ist frequenzabhängig Bei jeder Umorientierung entstehen Verluste unerwünscht: bei Hochfrequenzkabelummantelungen erwünscht: beim HF Schweißen bei höheren Frequenzen können die Dipole nicht mehr folgen. Es bleibt die Verschiebungspolarisation Die Verlustzahl ist frequenz- und temperaturabhängig PMMA Dr. Lutwin Spix 64 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Werkstofftechnik 2. Historie von Werkstoffen und Kunststoffen 3. Wirtschaftliche Bedeutung 4. Die wichtigsten Werkstoffeigenschaften 5. Kunststoffe im Werkstoffvergleich 6. Aufbau der Kunststoffe (Synthese, Gefüge, Vernetzungsarten) 7. Zeitabhängiges Werkstoffverhalten 8. Temperaturabhängiges Werkstoffverhalten 9. Elektrische Eigenschaften, optische Eigenschaften 10. Kunststoffe in der Schmelze 11. Alterung von Kunststoffen 12. Recycling; Kunststoff und Ökologie Dr. Lutwin Spix 65 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL!  Optische Eigenschaften Spektrum der elektromagnetischen Strahlung Wellenlänge [nm] 10-3 10-1 101 103 105 107 109 1011 Wellenzahl [cm-1] 1010 108 106 104 102 100 10-2 10-4 Frequenz [Hz] 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 Energie [eV] 106 104 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 VIS-Strahlung Gamma- Röntgen- UV- Infrarot- Mikro- Kurzwellen Radiowellen strahlung strahlung Strahlung Strahlung wellen Wellenlänge 400 nm 800 nm 2,5 µm 25 µm 2 mm NIR MIR FIR Wellenzahl 25000 cm-1 12500 cm-1 4000 cm-1 400 cm-1 5 cm-1 Prof. Dr. Chr. Barth 66 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Optische Eigenschaften Lichtbrechung sinα n2 c1 = = sinβ n1 c2 n = Brechzahl des Werkstoffs c = Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Werkstoff Dr. Lutwin Spix 67 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Brechung am Prisma Dispersion: frequenzabhängige Lichtbrechung bzw. Lichtgeschwindigkeit in Medien Dr. Lutwin Spix 68 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Lichtbrechung Lichtbrechung in Kunststoffen ist Temperaturabhängig und Frequenzabhängig Dr. Lutwin Spix 69 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Reflexion, Absorption, Transmission Reflexion + Absorption + Transmission = 1 Dr. Lutwin Spix 70 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Doppelbrechung Bestimmung von Orientierungen mit der „Spannungs-Doppelbrechung“ Je nach Herstellung sind amorphen Kunststoffen die Moleküle durch die Fertigung mehr oder weniger ausgerichtet: die Lichtgeschwindigkeit wird richtungsabhängig, die Brechzahl variiert richtungsabhängig. Bei einigen amorphen Kunststoffen führen bereits kleine elastische Deformationen zur Anisotropie Auch Kristalle sind fast immer optisch anisotrop, so auch die in den teilkristallinen Kunststoffen. Da weder das menschliche Auge noch fotoaktive Emulsionsschichten auf die Polarisation reagieren, benötigt man zu deren Darstellung Polarisationsfilter. Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 71 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Doppelbrechung Man kann diese Anisotropie sichtbar machen, indem man den Kunststoff mit linear polarisiertem Licht (d. h. Licht, das nur in einer Ebene schwingt) durchstrahlt. Die einfallende, polarisierte Lichtwelle pflanzt sich somit unterschiedlich schnell in den Stoffbereichen verschiedenen Zustands fort, sodass die austretenden Lichtstrahlen eine Phasenverschiebung aufweisen. Beim Austritt interferieren diese Teilstrahlen, und dies führt zu einer Änderung der Schwingungsebene des Lichts. Werden diese Strahlen durch einen weiteren, gekreuzt angeordneten Polarisationsfilter (genannt Analysator) geleitet, können nur die Anteile des Lichts passieren, deren Schwingungsebene senkrecht zum Analysator stehen. Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 72 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Doppelbrechung Quelle :Menges Werkstoffkunde der Kunststofftechnik Dr. Lutwin Spix 73 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Messprinzip der IR-Spektroskopie Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekülen Jedes Molekül besitzt ein charakteristisches Spektrum (also bestimmte Wellenlängen, die absorbiert werden). Alle anderen werden reflektiert Unterscheidung von Valenz (Streck)- und Deformationsschwingungen Prof. Dr. Chr. Barth 74 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Optische Eigenschaften Messprinzip der IR-Spektroskopie Wird eine Probe mit einem kontinuierlichen Lichtspektrum bestrahlt, dann werden alle die Frequenzen absorbiert, bei denen Moleküle in ihrer Eigenfrequenz angeregt werden. Jeder Peak stellt eine Eigenfrequenz dar. Der „Fingerabdruck“ der Peaks ist charakteristisch für ein Material. Dr. Lutwin Spix 75 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Optische Eigenschaften Messprinzip der IR-Spektroskopie 6 mögliche Schwingungsformen Valenzschwingung o (Streckschwingungen) Deformationsschwingung o (Biege-/Beugeschwingungen) o (Dreh-/Kippschwingungen) Prof. Dr. Chr. Barth 76 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik  Optische Eigenschaften Spektrum der elektromagnetischen Strahlung Wellenlänge [nm] 10-3 10-1 101 103 105 107 109 1011 Wellenzahl [cm-1] 1010 108 106 104 102 100 10-2 10-4 Frequenz [Hz] 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 Energie [eV] 106 104 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 VIS-Strahlung Gamma- Röntgen- UV- Infrarot- Mikro- Kurzwellen Radiowellen strahlung strahlung Strahlung Strahlung wellen Wellenlänge 400 nm 800 nm 2,5 µm 25 µm 2 mm NIR MIR FIR Wellenzahl 25000 cm-1 12500 cm-1 4000 cm-1 400 cm-1 5 cm-1 Prof. Dr. Chr. Barth 77 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Optische Eigenschaften IH FT → Probenraum FT: Fourier-Transformation: Zusammenfügen von Einzelsignalen zu einem kontinuierlichen Spektrum IP FT → Prof. Dr. Chr. Barth 78 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Optische Eigenschaften Erstellung eines FTIR Spektrums IP IP → IH IH Prof. Dr. Chr. Barth 79 Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! Kunststofftechnik Optische Eigenschaften Identifikation von n.i.O. Teilen aus EP-Harz mittels IR-Spektrometrie i.O. Teil Transmission [%] n.i.O. Teil %T 3.700 3.600 3700.0 3600 3.200 3200 2.800 2800 2.400 2400 2.000 2000 1.900 1900.0 cm-1 Wellenzahl [cm-1] Prof. Dr. Chr. Barth Nur zu Lehrzwecken an der TH-OWL! 8080 Kunststofftechnik