Ausbreitung und Initiierung von Antirissen in hochporösen Werkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Philipp Weißgraeber
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576323125

In diesem Forschungsvorhaben soll die Untersuchung von Antirissen in Schaumwerkstoffen erfolgen, die im Gegensatz zu klassischen Rissen unter Druck entstehen und sich ausbreiten. Antirisse treten in porösen Materialien auf, bei denen unter Kompressionsbelastung lokale Kollapsmechanismen auftreten, die sich entlang einer Ebene ausbreiten können. Antirisse zeigen dabei das klassische Rissspitzenfeld (mit der 1/√r-Singularität der Spannungen aber mit negativen Verschiebungen normal zu den Rissflanken) und können mit Methoden der klassischen Bruchmechanik beschrieben werden. Solche Antirisse sind relevant für verschiedene poröse Materialien und spielen eine wichtige Rolle beim lokalisierten Versagen unter Druck von technisch relevanten Schaumwerkstoffen (etwa Sandwichkerne oder Isolationsmaterialien) oder Metamaterialien mit Lattice-Strukturen sowie sowie in geologischen Prozessen wie Kompaktierungsbändern in Sandstein oder bei der Auslösung von Schneebrettlawinen. Während Antirisse in Schnee bereits experimentell und numerisch untersucht wurden, ist das Phänomen für technische Materialien bislang wenig erforscht. Dieses Forschungsvorhaben zielt darauf ab, die Lücke in der Untersuchung von Antirissen in technischen Werkstoffen zu schließen, deren Verhalten besser zu verstehen und neue Methoden für die bruchmechanische Beschreibung von Antirissen zu entwickeln. Ziel ist es, das Verständnis von Antirissen durch systematische experimentelle und numerische Analysen zu vertiefen und die Grenzen der Bruchmechanik in diesem Kontext kritisch zu hinterfragen. In adaptierten Compact-Tension-Experimenten an hochporösem Glasschaum unter Druck soll der Widerstand gegen Antirisswachstum in Form negativer Modus-I-Bruchzähigkeiten bestimmt werden. Ergänzend ermöglichen in-situ Mikroskopie und µCT-Analysen Einblicke in mikroskalige Versagensmechanismen und Rissflankenkontakt. Ein weiteres Ziel ist die Identifikation der aus dem Kontakt resultierenden oberen Schranke der Energiefreisetzungsrate als Funktion der Kollapshöhe und der effektiven elastischen Eigenschaften des Werkstoffs; hierzu wird der Einfluss von Kontakt bei Rissflankendeformationen oberhalb der Kollapshöhe mithilfe nichtlinearer Finite-Elemente-Analysen untersucht. Darüber hinaus soll die Initiierung von Antirissen an Spannungskonzentrationen mithilfe der Finiten Bruchmechanik (FBM) untersucht werden. Betrachtet werden zwei Kerbkonfigurationen: eine scharfe V-Kerbe mit Spannungssingularität und eine elliptische Kerbe ohne Singularität. Für beide Fälle sollen FBM-Lösungen entwickelt und der Einfluss von Kontakt einbezogen werden, um die inkrementelle Energiefreisetzungsrate analytisch und numerisch zu bestimmen. Die Kombination experimenteller, numerischer und analytischer Methoden soll zu einem vertieften Verständnis des Antirissverhaltens in technischen Werkstoffen führen und Prinzipien für die gezielte Gestaltung versagensresistenter Strukturen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen