FOR 597: Bruchmechanik und Statistische Mechanik von verstärkten Elastomerblends
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Um die gesteckten Ziele erfolgreich umzusetzen, waren intensive Kooperationen zwischen den einzelnen an der Forschergruppe beteiligten Disziplinen - nämlich: Polymer-(Elastomer-)Werkstoffprüfung inkl. Prüfgerätebau; Technische Werkstoffdiagnostik; Elastomerphysik; Statistische Physik von Polymernetzwerken; Kontinuumsmechanik, Strukturmechanik und numerische Mechanik - notwendig. Wesentliche Ergebnisse der interdisziplinären Zusammenarbeit in der Forschergruppe waren: • kritische Analysen, Verbesserung, Weiterentwicklung und Neukonzeption instrumenteller Verfahren und konzeptioneller Auswerteverfahren zur Charakterisierung der Rissausbreitung in gefüllten Elastomeren unter quasistatischer und dynamischer Belastung; • Skalenübergreifende Analyse der für gefüllte Elastomere typischen strukturellen Einflüsse und insbesondere der entropie- und viskoelastischen Eigenschaften auf bruchmechanische Charakteristika; • Weiterentwicklung der kontinuumsmechanischen Beschreibung des mechanischen Verhaltens; Umsetzung des Konzeptes der materiellen Kräfte und deren kritische Analyse; Modellierung und Numerik zur Simulation der Rissausbreitung; • Statistisch-mechanische Ansätze und Modelle zum Zusammenhang zwischen Netzkettendynamik gestreckter Polymerketten in Rissfrontnähe und der Risspropagation in Polymernetzwerken. In der ersten Antragsperiode stand die kritische Wertung, Erweiterungen, das Zusammenführen und beginnende Verknüpfen vorhandener methodischer, experimenteller, physikalischer, theoretischer und numerischer Verfahren und deren Anwendung auf bruchmechanische Fragestellungen von gefüllten Elastomeren im Vordergrund. Die wissenschaftliche Bedeutung des in der ersten Antragsphase durchgeführten Vorhabens lag in der in der vorliegenden Art erstmaligen Zusammenführung von in unterschiedlichen Längenskalen operierenden experimentellen Methoden zur bruchmechanischen und morphologischen Charakterisierung von gefüllten heterogenen Elastomerblends, von fraktographischen Analysen und von neuen Methoden der Werkstoffmodellierung, welche die strukturellen Gegebenheiten dieser Werkstoffklasse skalenübergreifend berücksichtigen. Dabei waren in dieses Projektvorhaben noch zusätzlich solche wissenschaftliche Gesichtspunkte integriert wie (a) Erweiterung des prüfmethodischen Vergleichs und Abgleichs der verwendeten bruchmechanischen Prüfverfahren und (b) Aufstellen von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen und Identifikation von Mikrodeformationsprozessen in Abhängigkeit von der Mikro- und Nanostruktur und von den für Elastomere typischen Merkmalen (chemische Vernetzung, eingefangene Verschlaufungen, elastisch aktive Polymer-Füllstoff-Wechselwirkungen). In der zweiten Antragsperiode erfolgte eine gemeinsame Konzentration auf diese wesentlichen Gesichtspunkte bei elastomeren Blendsystemen. Diese Gesichtspunkte beinhalteten dann zusätzlich Strukturaspekte gefüllter heterogener Elastomernetzwerke (z. B. Füllstoffverteilung auf die Blendphasen und auf Interphasen). Zentrale Elemente der Werkstoffcharakterisierung/-simulation blieben dabei große Verzerrungen, nichtlineare Elastizität einschließlich Erweichungseinflüsse, Geschwindigkeits- bzw. Frequenzabhängigkeit sowie geschwindigkeitsunabhängige dissipative Eigenschaften. In der ersten Antragsphase wurden zum Teil unerwartet Frage- bzw. Problemstellungen offengelegt, deren Klärung und begonnene Bearbeitung in der zweiten Projektphase weitergeführt wurde. Dabei handelte es sich zum Beispiel um die korrekte prüftechnische und deformationsmodenabhängige Bestimmung der Reißenergie (Tearing Energy) bei der dynamischen Rissausbreitung; die (offensichtlich grundsätzlichen) werkstoffdiagnostisch ermittelten nichtmonotonen Abhängigkeiten von Rissinitiierungs- und Rissausbreitungskenngrößen vom Füllstoffgehalt; die tiefere physikalische Bedeutung der nichtlinearen (gedämpften) solitären Moden gestreckter Polymerketten in der Rissspitze in gefüllten Elastomeren; die Klärung des universellen/nichtuniversellen Charakters des sog. Hurst-Exponenten bei der Bruchflächenanalyse und die damit verknüpfte Korrelation zur inneren heterogenen Werkstoffmikrostruktur. Die Ergänzung und Erweiterung der Forschergruppe in der zweiten Antragsperiode um ein weiteres Teilprojekt zu Streuuntersuchungen an Naturkautschukvulkanisaten (TP6) und die Entwicklung anwendungsorientierter Prüftechnik im Zentralprojekt (TPZ) stellten eine Konsequenz aus den Ergebnissen und daraus abgeleiteten Empfehlungen der ersten Förderperiode dar.
