Numerische und experimentelle Analyse von dehnungsinduzierter Kristallisation und Schädigung in Elastomeren infolge mehrachsiger Beanspruchung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Eric Euchler; Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517438497

Elastomere auf Naturkautschuk-Basis (NR) besitzen zahlreiche technische Anwendungen – von Fahrzeugreifen bis zu Medizinprodukten. NR zeichnet sich dabei durch hervorragende mechanische Eigenschaften aus; insbesondere durch einen hohen Risswiderstand, was im Wesentlichen auf die Fähigkeit zur dehnungsinduzierten Kristallisation unter großer lokaler Deformation zurückzuführen ist. Solche hohen Deformationen können jedoch auch mikromechanische Schädigungsmechanismen befördern, z. B. lokales Wachstum intrinsischer Defekte – Kavitation. Das mechanische Verhalten von NR ist damit sehr komplex; als eine Folge kann es auch unter uniaxialer Zuglast zur Verzweigung und Ablenkung von makroskopischen Rissen kommen, sodass Risswachstum entgegen der typischerweise erwarteten Richtung auftritt. Die experimentelle Analyse der deformationsinduzierten mikromechanischen Mechanismen hat wesentliche Einflussfaktoren bisher nur unzureichend erfasst. So werden häufig ausschließlich homogene Proben unter uniaxialer Zuglast betrachtet, obwohl grundsätzlich bekannt ist, dass bei größerer Mehrachsigkeit die Kristallisation behindert und die Kavitation begünstigt werden. Weiterhin sind existierende mechanische Modelle bisher auf eines dieser deformationsinduzierten Phänomene limitiert – entweder Kristallisation oder Kavitation. Eine Abbildung der teils komplexen Risspfade im kristallisierenden Elastomer ist bisher nicht möglich. Im beantragten Forschungsvorhaben soll erstmals eine gekoppelte Modellierung von SIC und makroskopischem Risswachstum, als mögliche Folge von Kavitation, erfolgen. Ziel ist, komplexe Rissphänomene unter mehrachsiger Beanspruchung abzubilden und die zugrundeliegende Interaktion der physikalischen Mechanismen einer modellbasierten Analyse zu unterziehen. Dazu erweitert die FG Kästner bestehende kontinuumsmechanische Modelle für SIC auf mehrachsige Beanspruchungen und entwickelt ein Rissphasenfeldmodell, das die Kopplung zwischen SIC und Risswiderstand ebenso wie die Begünstigung makroskopischer Risse durch Kavitation berücksichtigt. Damit soll auch ein Beitrag zur Beanspruchungsbewertung für kristallisationsfähige Elastomere geleistet werden, der – im Gegensatz zum oft herangezogenen Konzept der Tearing energy – lokale Effekte adäquat abbildet. Die Grundlage für die Modellentwicklung bilden umfangreiche experimentelle Untersuchungen der FG Euchler. Insbesondere sollen Morphologieänderungen unter biaxialer Deformation mit verschiedenen Streckungsverhältnissen sowie bei komplexer Beanspruchung untersucht werden. Hierzu kommen Methoden der Strukturaufklärung – Röntgenstreuung und Mikro-Tomografie – ebenso zum Einsatz wie indirekte, energetische Verfahren für die Bestimmung der Kristallinität und optische Feldmessverfahren. Zusätzlich soll erstmals ein systematischer, quantitativer Vergleich von direkten und indirekten Ansätzen zur Kristallinitätsmessung erfolgen, um die Vorhersagekraft letzterer zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen