Charakterisierung der mechanischen Grenzschicht in Polymer-Metall-Klebungen

Abstract

Vernetzende Klebstoffe können am Kontakt zu ihren Fügepartnern Randschichten/Interphasen bilden, deren Eigenschaften vom Substrat des Fügepartners derart beeinflusst werden, dass sie nicht mehr dem Bulk des Klebstoffes entsprechen. Dies hat zur Folge, dass je nach Art und Ausbreitung dieser Randzone die Klebschichtdicke Einfluss auf das makroskopische Verhalten der Klebung nimmt. In mechanischer Hinsicht können Effekte entstehen wie "dünner ist steifer" oder "dünner ist weicher". Diese verhindern die einfache Berechenbarkeit von Klebungen unterschiedlicher Schichtdicke, weil man nicht mehr von den Bulkeigenschaften ausgehen kann. Ein solcher Maßstabseffekt der Form "dünner ist weicher" wird experimentell mit Scherversuchen an Polyurethan-Aluminium- Klebungen unterschiedlicher Schichtdicke untersucht, nachdem das Polyurethansystem selbst in seinen Bulkeigenschaften charakterisiert wurde. Die Messdaten dienen dem Test eines neuen, erweiterten kontinuumsmechanischen Modells, welches im Sinne einer Mischungsregel zwischen der Interphase und dem Bulk interpoliert. Flankierend werden ähnliche und andere Modellklebungen mit verschiedenen Polymeren auf unterschiedlichen Substraten mit DSC und Nanoindentation auf Randschichteffekte untersucht.

In contact to the substrates of mating parts reactive adhesives can develop interphases. Influenced by the substrate these interphases show altered properties and deviate from the polymer bulk far from the surface. Depending on the kind and the size of this volume the bondline thickness may influence the macroscopic characteristics of the joint. Mechanically it is possible to find effects like "thinner is less stiff'; or "thinner is stiffer';. Such size effects foil simple calculus of joints with varying bondline thickness, because bulk characteristics can no longer be attributed to thin bonds. Such a size-effect of the kind "thinner is less stiff'; was examined by extensive shear-testing of anodized aluminum joints bonded with polyurethane in varying thicknesses. Together with measured bulk-properties the obtained data is used to test a newly developed model of continuum mechanics, which is able to account for such size effects by interpolating between the interphase and the bulk. Additionally similar and other bonds with different polymers and different substrates are examined for interphase effects by DSC and Nanoindentation.