Reversible Deformationsmechanismen in Duroplasten: Von Plastizität zur entropischen Rückbildung mittels Spektroskopie und Molekularer Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bodo Fiedler; Dr. Julian Konrad
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525597740

Epoxidharze zeigen im Allgemeinen ein sprödes Verhalten, jedoch zeigen mikroskaligen Proben eine erhöhte Duktilität. Dünne Epoxidfilme (<100 µm) weisen unter Zuglast eine ausgeprägte Dehnbarkeit, lokal begrenzte Scherbänder sowie mechanisch induzierte Einschnürungen auf. Die Ausbildung der Scherbänder wurde als Folge einer Kaskade makromolekularer Mechanismen identifiziert, die Kettenstreckung, -orientierung und molekulare Bindungsstreckung umfasst. Dieses Zusammenspiel struktureller Umorganisationen unter Zugbelastung kennzeichnet die Entstehung lokalisierter Netzwerkanpassungen und liefert einen zentralen Beitrag zum Verständnis duktiler Verformung. Diese Befunde werfen grundlegende Fragen nach den physikalischen Voraussetzungen plastischer Verformung in amorphen, engmaschigen Polymernetzwerken auf. Insbesondere ist zu klären, ob es sich um irreversible plastische Netzwerkanpassungen handelt oder ob reversible viskoelastische Relaxationsprozesse überwiegen, deren Charakter erst unter gezielter thermischer Aktivierung vollständig erfassbar ist. Epoxidfilme verschiedener chemischer Zusammensetzung und reproduzierbarer Probendicke werden hinsichtlich mechanischer Verformung mit Hilfe von in-situ-Infrarotspektroskopie untersucht. Im Fokus stehen dabei spektrale Verschiebungen aromatischer Gruppen der Hauptketten, insbesondere innerhalb der para-substituierten Phenylengruppen, die eine Belastungssensitivität auf molekularer Ebene zeigen. Die resultierenden Peakverschiebungen korrelieren mit makroskopisch sichtbaren Deformationszonen, was Rückschlüsse auf intermolekulare Wechselwirkungen, lokale Orientierung und potenzielle Netzwerkrelaxationen erlaubt. Komplementär dazu ermöglichen Molekulardynamik- Simulationen, unterstützt durch KI-gestützte Spektrumsvorhersagen, eine direkte Zuordnung von Schwingungen zu intra- und intermolekularen strukturellen Motiven. Dabei werden die elastische Antwort der Polymernetzwerke und thermisch induzierte Rückbildungsprozesse untersucht. Der gezielte Vergleich unterschiedlicher Netzwerkarchitekturen, ermöglicht eine Bewertung der Rolle molekularer Konnektivität und lokaler Mobilität für die beobachtete Duktilität. Mithilfe temperaturkontrollierter Nachbehandlungen wird geprüft, inwieweit mechanisch induzierte Strukturveränderungen durch thermische Aktivierung relaxieren und ob sich eine vollständige Rückbildung des Ausgangszustands beobachten lässt. Das Zusammenspiel aus mechanischer Belastung, molekularer Reorganisation und thermischer Rückstellung erlaubt es, zwischen reversibler Netzwerkmobilität und irreversibler plastischer Umstrukturierung zu differenzieren. Die Verknüpfung experimenteller Beobachtungen mit simulationsgestützten Struktur-Eigenschafts-Korrelationen ermöglicht ein tiefgreifendes Verständnis jener molekularen Mechanismen. Dieses Wissen schafft die Grundlage für die Entwicklung strukturell adaptiver, energieabsorbierender und wiederverwendbarer Duroplasten für anspruchsvolle technische Anwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Robert Horst Meißner