Mehr-Skalen-Modellierung von Kristallisation und Bruchversagen in Gummiartigen Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc-André Keip, seit 2/2017; Dr.-Ing. Arun Raina
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273228006

Gummiartige Polymere sind Bestandteil zahlreicher technisch anspruchsvoller Konstruktionen. Typische Beispiele umfassen Reifen, Lüftungskanäle, Turbolader-Schläuche, Komponenten von Automobilfahrgestellen, hitze- und treibstoffresistente Dichtungsrichte in Flugzeugtriebwerken, flexible Rohre zum Öl- und Gastransport oder elastomere Brückenauflager im Bauwesen. Diese polymeren Materialien weisen ein komplexes thermo-mechanisches Verhalten auf. Neben stark nicht-linearer Elastizität bei großen Deformationen treten komplizierte inelastische Effekte wie viskoelastisch-plastische oder schädigungs-induzierte Phänomene auf. Zudem kann ein amorphes polymeres Netzwerk kristallisieren. Die durch Temperatur und Deformationen hervorgerufene Kristallisation ändert das Materialverhalten gravierend und hat einen entscheidenden Einfluss auf den Bruchwiderstand polymerer Strukturen. Die Modellierung dieses Phänomens ist Ziel des Forschungsprojekts, und notwendiger Bestandteil prädiktiver Analysen von Schädigungsmechanismen in gummiartigen Polymeren.In den letzten Jahren konnten zur Beschreibung viskoelastischen Materialverhaltens gummiartiger Polymere hochgradig prädiktive Mehrskalenmodelle entwickelt werden, deren komplexesmakroskopisches Verhalten direkt auf mikromechanischen Mechanismen der Polymer-Netzwerke zurückzuführen ist. Zu diesen Modellen zählen im Besonderen die sogenannten "Micro-Sphere-Modelle" für Gummi-Elastizität, Viskoelastizität oder Mullins-Schädigung, die der nicht-affinen Kopplung zwischenOrientierungsraum von Polymerketten und statistisch basiertem Mikro-Verhalten einzelner Ketten Rechnung tragen. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, diese "Micro-Sphere-Modelle" um die Beschreibung von verzerrungs-induzierter Kristallisation und Bruchvorgängen unter nicht-isothermen Bedingungen zu erweiteren. Es werden dabei drei Aspekte kombiniert und weiterentwickelt: (i)die Mehrskalen-Modellierung raten- und temperaturabhängiger verzerrungs-induzierter Kristallisation in gummiartigen Polymeren, (ii) deren Ausweitung auf zeitabhängige viskose Effekte im Rahmen einerthermo-viskoelastischen Modellierung sowie (iii) die Kombination mit robusten und numerisch effizienten Konzepten für die Beschreibung von Rissausbreitung.Mit dem Projekt soll ein wichtiger Schritt in Richtung verlässlicher Simulation von Kristallisation und Bruchmechanismen in gummiartigen Materialien gemacht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Miehe, bis 1/2017 (†)