HEAT – Hochaufgelöste Erwärmungsmessung an Rissspitzen in Amorphen Thermoplasten

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Daniel Leonhard von Kreutzbruck; Professor Dr.-Ing. Stefan Weihe, seit 4/2023
• Fachliche Zuordnung: Kunststofftechnik ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459023912

Ein wichtiger Bestandteil der Charakterisierung von Kunststoffen ist der Einfluss der Temperatur. Die bauteileigene Wärmeentwicklung unter mechanischer Belastung wird dabei aber bisher nicht berücksichtigt. Mit der Kenntnis des exakten thermischen Verhaltens unter Last lassen sich Rückschlüsse auf molekulare Vorgänge und die abgeleitete Rissdynamik formulieren. So ist es denkbar, dass das Risswachstum durch Erweichungsprozesse gehemmt oder durch Zersetzung begünstigt wird. Hierbei ist zum einen die maximale Temperaturentwicklung von großer Bedeutung, zum anderen spielt die zeitliche und örtliche Ausbreitung der Temperatur über den Kunststoff eine wesentliche Rolle. Beide Faktoren können mit der neuesten Technik der Hochgeschwindigkeitskameras in der Thermografie nun gemessen und mit molekulardynamischer Struktursimulation vorhergesagt werden. Die Energiefreisetzung beim Bruch von Kunststoffen ist seit jeher von großem Interesse, konnte aber bisher nicht zufriedenstellend erfasst werden. Mikroskopische Erweichungs- oder gar Aufschmelzprozesse an der Rissspitze sind realistische Szenarien, insbesondere bei polaren Kunststoffen, und würden die Brucheigenschaften und Schadenstoleranz von Kunststoffen in einer Weise beeinflussen, wie sie bisher bei der Auslegung von Bauteilen nicht berücksichtigt wurde. Die Zusammenhänge von Zähigkeit, Dehnrate und Risswachstum müssten dann völlig neu überdacht und entsprechende Materialmodelle aktualisiert werden. Im Rahmen dieses Projektes soll dieses Thema aufgegriffen und mittels zeitlich ultrahochauflösender Mess- und Simulationstechnik neu angegangen werden. Zur genauen Temperaturbestimmung entlang einer wachsenden Rissfront bedarf es einer zeitlichen Auflösung, die den Bruchvorgang und die dabei auftretenden Effekte und Mechanismen abbilden und zuordnen kann. Dementsprechend ist auch eine geometrische Auflösung bis in den unteren μm-Bereich notwendig, welche elastische, plastische und offene Bereiche darstellt und die verschiedenen energiefreisetzenden Bruchmechanismen abbildet. Mittels modernen Thermografiekameras ist dies nun möglich. Parallel hierzu werden numerische Untersuchungen durchgeführt, die einerseits auf der molekularen Ebene lokal aufgelöst Aufschluss darüber geben sollen, welche Mechanismen für z.B. die Rissspitzenerwärmung oder akustische Emissionen verantwortlich sind und diese quantifizieren soll. Andererseits werden mittels der etablierten Methode der Finiten Elemente, unter Berücksichtigung experimenteller Ergebnisse sowie der nanoskaligen Simulationen, Proben im realen Maßstab simuliert, wobei thermische und akustische Effekte in die Bruch-/Schädigungsmechanik integriert werden. Die in diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse können zu einem fundamentalen Überdenken bisheriger Bruchmodelle führen und somit die Auslegung und Schadensvorhersage von Kunststoffbauteilen weiter verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Schmauder, bis 3/2023