Experimentelle und numerische Qualifizierung von Morphologie-Eigenschafts-Korrelationen mit Hilfe der Methode der Essential-Work-of-Fracture (EWF) am Beispiel von Polymerblends
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gemeinschaftsprojekt des Instituts für Kunststofftechnik (IKT) und des Instituts für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart hatte das Ziel, durch den Einsatz bruchmechanischer Methoden, Blendsysteme effizienter optimieren zu können und die in diesen Werkstoffen ablaufenden Verformungs- und Bruchmechanismen im Versagensverfall genauer zu analysieren. Da sich die Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von u. a. der Geschwindigkeit, Temperatur und Zeit sowie im Fall von Polyamid 6 zusätzlich von der Menge an absorbiertem Medium verändern, ist eine Werkstoffoptimierung durch geeignete Versuchs- und Simulations-Methoden nur möglich bei genauer Kenntnis der Morphologie, den auftretenden Bruchmechanismen und deren Alterungsverhalten. In einem ersten Schritt wurden für die experimentelle Charakterisierung des Einflusses der Blendmorphologie auf das bruchmechanische Verhalten von heterogenen PA6-Blends Modellwerkstoffe hergestellt. Ziel war es, unterschiedliche Blendmorphologien zu erhalten, die alleine abhängig von der zugegebenen Art und Menge an Zusatzstoffen ist. Durch die Veränderung des Haftvermittler- und Radikalbildneranteils war es möglich, die mittlere Partikelgröße D[10] der modifizierten Blends und die mittlere Stegbreite τm in einem breiten Bereich zu variieren. Mithilfe dieser Größen wurden die beiden in der Literatur existierenden Kriterien der optimalen Partikelgröße und der kritischen Stegbreite, welche anhand von Ergebnissen aus Kerbschlagbiegeversuchen hergeleitet werden, für deutlich langsamere Geschwindigkeiten mittels fließbruchmechanischen Betrachtungen untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass diese Kriterien für langsame Prüfgeschwindigkeiten keine Allgemeingültigkeit aufweisen. Für die Zähigkeitsoptimierung der untersuchten PA/TPO-Blends sind vielmehr die folgenden zwei Kriterien zu beachten. Es muss eine hohe Phasenanhaftung der Partikel zur Matrix sichergestellt werden, bei möglichst geringer Partikelgröße. Diese Erkenntnisse können allerdings nicht universal auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen übertragen werden, da sich unter Medieneinfluss die auftretenden Bruchmechanismen grundlegend ändern. Es hat sich weiter gezeigt, dass eine Kombination der fließbruchmechanischen Methoden und der digitalen Bildkorrelation zu einem deutlichen Mehrwert der Charakterisierung führt und die Auswertung des deformierten Volumens mittels eines neuartigen Kameraaufbaus während der Versuche eine genauere und reproduzierbare Auswertung des Geometriefaktors für die EWF-Methode erlaubt. Somit ist eine Bestimmung der dissipierten Energie innerhalb der sich ausbildenden Bruchprozesszone möglich. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass moderne Simulationsmethoden in der Lage sind, dieses Materialversagen korrekt abzubilden. So können einerseits durch die Molekulardynamik z.B. die Grenzflächenenergie zwischen PA6-Matrix und Weichphase durch Verschlaufung und Haftvermittler korrekt bestimmt werden oder der Einfluss unterschiedlicher Medien auf E-Modul und Streckgrenze des Materials aufgezeigt werden. Andererseits konnte gezeigt werden, wie diese Erkenntnisse und physikalisch basierten Kennwerte auf der mikromechanischen Kontinuumsebene weiterverwendet werden können, um die Morphologie der Werkstoffe zielführend zu optimieren. Die entwickelte innovative gekoppelte experimentell-numerische und multiskalige Vorgehensweise existierte in dieser Form bisher nicht und öffnet die Tür für zukünftige Entwicklungen neuer polymerer Werkstoffe.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Structure Property Relationships of PA6-EOR-blends. In: AIP Proceedings (2019) 2055, 030002
Heyn, J.; Bonten, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5084812) - Bruchmechanische Betrachtung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von PA6/TPO-Blends. Dissertation, Institut für Kunststofftechnik. Stuttgart, 2017
Heyn, J.
- Alternatives Verfahren zur Bestimmung des Spröd-duktil-Übergangs bei geringen Prüfgeschwindigkeiten. In: Zeitschrift Kunststofftechnik, 2018, (14), S. 175–191
Heyn, J.; Bonten, C.
- Essential Work of Fracture: Bestimmung des gültigen Ligamentbereichs mittels digitaler Bildkorrelation. In: Materials Testing Jg. 60, Ausgabe 9 (2018), S. 869–876
Heyn, J.; Kaiser, J.; Bonten, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/120.111221) - Influence of Particle Size and Phase Connectivity on the Fracture Behavior of PA6/EOR Blends. In: Macromelcular Symposia 2019, 384, 1800173
Heyn, J.; Bonten, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/masy.201800173) - Fracture Mechanic Examinations Using the EWF-method in Combination with Digital Image Correlation. In: AIP Conference Proceedings (2020)
Kaiser, J.; Bonten, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/5.0028415) - Molekulardynamische Untersuchung des Medieneinflusses auf die mechanischen Eigenschaften von Polyamid 6. In: 27. Stuttgarter Kunststoffkolloquium, 03. – 04. März 2021
Verestek, W.; Schmauder, S.
