Thermographic Characterisation of Deformation und Fracture of Semicrystalline Polymers as Basis for Constitutive Modelling of the Material Behaviour
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Die zentrale Zielstellung für den ersten bewilligten Projektabschnitt bestand in der Erweiterung des Verständnisses über die Kopplung des mechanischen und thermischen Verhaltens und der Struktur von teilkristallinen Thermoplasten unter Deformation. Dazu wurden der charakteristische Spannungs-Dehnungs-Verlauf und die Temperaturänderung während des uniaxialen Zugversuches von amorphem Polyethylenterephthalat (PET) untersucht und analysiert. Für eine systematische Untersuchung des Deformationsverhaltens wurde eine Messmethodik entwickelt, mit welcher alle für die thermomechanische Bilanzierung notwendigen Größen erfasst werden können. Zusätzlich wurde erstmals Synchrotron-Röntgenweitwinkelstreuung (WAXS) simultan zu Thermographie genutzt, um online Kristallisationsvorgänge bei der Deformation zu erfassen bzw. die kristalline Struktur bei deformierten Proben zu bestimmen. Der Verstreckungsprozess, der beim Zugversuch abläuft, konnte dabei in sechs Phasen eingeteilt werden, die insbesondere in Art, Umfang und Rate der morphologischen Änderung des vorliegenden Materials voneinander abzugrenzen sind. Für die einzelnen Deformationsphasen wurde eine energetische Beschreibung auf Grundlage des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik vorgenommen. Durch Variation der Versuchsparameter konnten deren Einflüsse auf den Deformationsverlauf bestimmt werden. Mittels vereinfachender Annahmen wurde ein Modell zur Beschreibung der Temperaturänderung in der Probe in Folge der Deformation unter Berücksichtigung der stattfindenden Strukturänderungen erstellt. Bezüglich der ortsaufgelösten Bestimmung der elastischen Energiedichte (AP 6) während der Projektbearbeitung Probleme bei der messtechnischen Erfassung der Dehnfelder im Bereich der Einschnürung auf. Während mittels der in-situ WAXS-Messungen am DESY (MINAXS-Beamline PETRA-III) erzielten Ergebnisse die Kristallisation bei Verstreckung und Bruch nachgewiesen werden konnte, war es noch nicht möglich, den zeitlichen und örtlichen Ablauf der dehnungsinduzierten Kristallisation detailliert zu verfolgen (AP 7). Die komplexen Zusammenhänge zwischen Kristallisation, Kristallitauflösung und Umkristallisation sowie Kavitation bei der Deformation von teilkristallinen Polymeren, darunter auch PET, sind Gegenstand umfangreicher aktueller Untersuchungen. Weiterhin trat während der Versuche teilweise eine selbsterregte Oszillation sowohl der technischen Spannung und Dehnung, als auch der maximal in der Probe gemessenen Temperatur auf. Dieses Verhalten ist in der Literatur vom Prozess des Kaltverstreckens bekannt. Damals kamen die Autoren allerdings zu dem Schluss, dass dieses Phänomen von keiner nennenswerten Temperaturänderung begleitet wird. Untersuchungen von Roseen u. a. sowie Messungen innerhalb dieses Projektes zeigen jedoch einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Beanspruchung und der Temperaturänderung in der Probe. Diese selbsterregte Oszillation wurde im ersten Projektabschnitt noch nicht systematisch untersucht und sollte ein Schwerpunkt in der Fortsetzungsphase des Projektes sein.
Publications
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Zybell, L. ; Xiang, F. ; Domurath, J. ; Euchler, E. ; Bernhardt, R. ; Oberer, J. ; Bach, S. ; Schneider, K.
