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New methods for the analysis of dislocations in semi-crystalline polymers

Harald Wilhelm

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Dr.-Studium der Naturwissenschaften Physik

Betreuer*in

Michael Zehetbauer

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DOI

10.25365/thesis.48229

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-22771.90031.691154-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Trotz der großen wirtschaftlichen Bedeutung von teilkristallinen Polymeren ist das Wissen über die wesentlichen mikrostrukturellen Prozesse, die für die mechanischen Eigenschaften verantwortlich sind, vergleichsweise gering. Oberhalb der Glasübergangstemperatur ist für die makroskopischen Eigenschaften vor allem die Festigkeit der kristallinen Phase entscheidend. Dabei spielen vor allem lineare Gitterdefekte, wie Versetzungen, eine wichtige Rolle. Im Gegensatz zu Metallen ist die Untersuchung von Versetzungen in teilkristallinen Polymeren schwierig, da nur sehr wenige Methoden mit zum Teil wesentlichen Einschränkungen zur Verfügung stehen. Daher war es das Ziel dieser Dissertation, neue Charakterisierungsmethoden für Versetzungen in teilkristallinen Polymeren zu etablieren. In den letzten Jahren wurde eine spezielle Röntgendiffraktionsmethode entwickelt (Multi-reflection X-ray Profile Analysis (MXPA)), mit der die Dichte, die Anordnung und der Typ der Versetzung, und daneben auch die Kristallitgrösse bestimmt werden kann. Die erste Aufgabe der vorliegenden Dissertation war es, die MXPA Methode erstmals für die Anwendung an teilkristallinen Polymeren zu adaptieren. Zu diesem Zweck wurden spezielle Algorithmen geschaffen, die es erlauben, sich trotz des durch die Komplexität der polymertypischen Kristallsysteme signifikant erweiterten Lösungsraums rasch an das globale Minimum anzunähern. Damit konnte erstmalig an Polypropylen (PP) gezeigt werden, dass mit zunehmender plastischer Verformung die Versetzungsdichte von etwa 10^15 auf 10^16 m^-2ansteigt, womit die grosse Bedeutung der Versetzungen für die plastische Deformation von teilkristallinen Polymeren bestätigt wurde. Ein wesentlicher Vorteil der MXPA ist die Möglichkeit, sie auch für in situ Röntgenbeugungsmessungen während der Deformation anwenden zu können. Im Rahmen der Dissertation wurden in situ Kompressions- und Entlastungsversuche an PP mit Synchrotron-Strahlung durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, dass die Versetzungen bei Entlastung zwar annihilieren, aber dass bereits in unverformten Proben genügend viele thermisch aktivierbare Versetzungen existieren, die für die plastische Verformung mobilisiert werden können. Erst ab Verformungen weit über der Streckgrenze müssen zusätzliche Versetzungen generiert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor für die mechanischen Eigenschaften von kristallinen Materialien ist die Kinetik der Versetzungen, welche in teilkristallinen Polymeren bisher ungeklärt war. Die bisher zur Untersuchung dieser Kinetik durchgeführten Nanoindentierungs-Kriechexperimente erscheinen wegen der in Ort und Zeit variierenden Spannungen, des kleinen Messvolumens und der unkontrollierbaren plastischen Verformung problematisch, weswegen in dieser Dissertation versucht wurde, eine alternative Testmethode auf Basis eines Torsions-Rheometers zu entwickeln, die all diese Nachteile der Nanoindentierung vermeidet. Somit wird eine eindeutige Trennung der Deformation in der amorphen von der Deformation in der kristallinen Phase gewährleistet und damit die direkte Bestimmung der physikalischen Versetzungsmodellparameter ermöglicht. Durch umfangreiche Experimente mit Polyethylen (PE-HD) bei unterschiedlichen Temperaturen und Belastungen konnte die Aktivierungsenthalpie für die Generierung und Mobilisierung von Versetzungen mit 0.59 eV bestimmt werden. Dabei konnten bereits bei Spannungen < 1 % der Streckgrenze Versetzungsbewegungen in Form von Versetzungslawinen nachgewiesen werden.

Abstract

(Englisch)

Despite the economic importance of semicrystalline polymers the knowledge of the microstructural processes responsible for their mechanical properties is low. Beyond the glass transition temperature the strength of the crystalline phase is primarily responsible for the macroscopic one. In that case, linear lattice defects such as dislocations can play a decisive role. In contrast to metals, the investigation of dislocations in semicrystalline polymers is challenging, as only few methods for dislocation analysis with partially strong limitations exist. Thus it was the aim of this doctoral thesis to establish new characterization methods for dislocations in semicrystalline polymers. In recent years, a special method of X-ray diffraction analysis was developed (Multi-reflection X-ray Profile Analysis (MXPA)) which is capable of measuring the density, arrangement and type of dislocations. The first task of the present thesis was to adapt the MXPA method, for the first time, also for the application in semicrystalline polymers. For this purpose, special algorithms were created which allow for a fast approach to the global minimum, in spite of the significantly extended solution space due to the complexity of polymer-specific crystal systems. It could be shown for the first time on polypropylene (PP) that during plastic deformation the dislocation density increases from approx. 10^15 to 10^16 m^-2 which confirmed the importance of dislocations for the plastic deformation of semicrystalline polymers. A major advantage of the MXPA is the possibility to carry out in-situ X-ray diffraction measurements of dislocation parameters during deformation. In frame of this thesis, in-situ compression and unloading experiments in PP have been performed by means of Synchrotron radiation. It has been found that the dislocations annihilate during unloading and that even in undeformed samples, a sufficient number of thermally activable dislocations are available which can be mobilized for the plastic deformation. Only for deformations far beyond the yield stress, additional dislocations are to be generated. Another important factor for the mechanical properties of crystalline materials is the kinetics of dislocations which so far has been widely unclear in semicrystalline polymers. Recent experiments achieving creep by nanoindentation to study this kinetics appear to be problematic because of stresses being not constant with respect to time and space, the small measuring volume, and the non-controllable plastic deformation. Therefore in this thesis, an alternative test method based on torsion experiments with a rheometer was developed, which avoids all these disadvantages, thus permitting a clear separation of the deformation in the amorphous and crystalline phase and a direct determination of the physical dislocation model parameters. By extensive experiments with polyethylene (PE-HD) at different temperatures and loads, an activation enthalpy of 0.59 eV for the generation and mobilization of dislocations could be determined. The experiments showed that dislocation movements in the form of dislocation avalanches occur even at stresses lower than 1 % of the yield stress.

Autor*innen

Harald Wilhelm

Haupttitel (Englisch)

New methods for the analysis of dislocations in semi-crystalline polymers

Paralleltitel (Deutsch)

Neue Methoden für die Analyse von Versetzungen in teilkristallinen Polymeren

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

139 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Andrej Galeski ,

Jozef Keckes

Klassifikationen

33 Physik > 33.61 Festkörperphysik ,

51 Werkstoffkunde > 51.70 Polymerwerkstoffe, Kunststoffe

AC Nummer

AC14539822

Utheses ID

42604

Studienkennzahl

UA | 091 | 411 | |

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