Charakterisierung und Modellierung des feuchteabhängigen thermomechanischen Verhaltens von Polyamiden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels; Professor Dr.-Ing. Hans-Georg Herrmann; Professor Dr.-Ing. Markus Stommel
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321154911

In diesem Projekt wird ein grundlegendes Verständnis für das thermo-mechanische Verhalten von Polyamid (PA66) erarbeitet. Kürzlich veröffentlichte Arbeiten zum Einfluss von Feuchte und Temperatur auf das mechanische Verhalten von PA legen den Fokus auf die vom freien Volumen beeinflussten Feuchtetransportprozesse im Material. Daneben beeinflussen sich das freie Volumen und das mechanische Verhalten sehr stark gegenseitig. Daher soll der Zusammenhang zwischen Feuchttransportmechanismen und aufgebrachten Belastungen durch geeignete Versuchsmethodik inklusive der Anwendung zerstörungsfreier Verfahren bestimmt und bei der Materialmodellierung berücksichtigt werden.Hierzu werden vom Lehrstuhl für Kunststofftechnologie (LKT) Probenkörper und Methoden entwickelt, um sowohl den Einfluss des Feuchtegehalts auf die mechanischen Eigenschaften als auch den Feuchtetransport zu bestimmen. Im ersten Schritt werden Versuche an konditionierten Proben durchgeführt, die Informationen über das mechanische Verhalten in Abhängigkeit von Feuchte liefern. Hierauf aufbauend werden in-situ Messungen durchgeführt, um mikroskopische Effekte wie den Feuchtetransport zu untersuchen. Des Weiteren werden sowohl der Einfluss der Probenmaße als auch von komplexen Lastfällen durch geeignete Probekörper und Prüfverfahren analysiert.Der Lehrstuhl für Leichtbausysteme (LLB) wird ein auf dem Absorptions-, Reflexions- und Brechungsverhalten von Terahertz-Wellen basierendes zerstörungsfreies Mess- und Rekonstruktionsverfahren entwickeln, um Feuchteverteilung und -transport im PA (lokale und globale Feuchte, Tiefengradient) zu ermitteln. Das THz-Verfahren wird in mehreren Arbeitsschritten von der Bestimmung der integrale Feuchtegehalts über ihre laterale Verteilung bis hin zur Bestimmung des Tiefengradienten entwickelt. Es wird ein Unterauftrag für Referenzmessungen des freien Volumens mit Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) vergeben. Die LLB-Ergebnisse dienen als Eingangsdaten für das Materialmodell des LTM und helfen, dieses zu erweitern und zu verifizieren.Ziel der Arbeit des Lehrstuhls für Technische Mechanik (LTM) ist die kontinuumsmechanische Modellierung des Feuchtetransports und der von der Feuchte abhängenden mechanischen Eigenschaften von PA. Hierzu wird eine Diffusionsgleichung an das viskoelastische Materialmodell gekoppelt. In diesem Zusammenhang muss eine starke Kopplung sowohl zwischen Feuchtetransport und den mechanischen Eigenschaften als auch von der Last berücksichtigt werden, so dass einerseits die Diffusionsgleichung vom freien Volumen und andererseits die Steifigkeiten und Relaxationszeiten von der Feuchtekonzentration abhängen. Die durch die von am LLB und LKT durchgeführten Versuche gewonnenen Daten erlauben eine Identifikation der Materialparameter durch inverse Rechnungen. Hierzu ist eine robuste numerische Implementierung des Mehrfeldproblems erforderlich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen