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Projekt
P4 "Holz": Ermüdungsresistenz von lebenden Bäumen und Holz als Inspiration für feuchteresponsive Mineralien und Bilayer-Komposite
Antragstellerinnen
Professorin Dr. Michaela Eder; Professorin Dr. Anna Sophia Schenk
Fachliche Zuordnung
Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516930787
Holz ist sowohl für den lebenden Baum als auch für Bauzwecke funktional. Während es im lebenden Baum wassergesättigt ist, trocknet es nach der Ernte und verändert dadurch seine mechanischen Eigenschaften und seine Form. Diese Zusammenhänge sind vergleichsweise gut untersucht, über die Ermüdung des Materials ist jedoch wenig bekannt, obwohl lebende Bäume unter zyklischen Windlasten viele Jahrhunderte überleben können. Darüber hinaus wird Holz derzeit für die Entwicklung feuchtigkeitsgetriebener Aktuatoren untersucht. Über die Ermüdung dieser Systeme ist ebenfalls wenig bekannt. Auch andere nicht-biologische Materialsysteme wie Mineralien und Keramiken können auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit mit Verformung und Bewegung reagieren. Es ist jedoch unklar, wie sich ihre Eigenschaften mit der Feuchtigkeit ändern, und inhärente Sprödigkeit keramischer und mineralischer Materialien schränkt deren Fähigkeit ein, ihre Form über viele Zyklen hinweg reversibel zu ändern. In diesem Projekt planen wir, in Holzzellwänden beobachtete Strukturmotive auf künstliche Verbundwerkstoffe auf Mineralbasis zu übertragen und zu untersuchen, wie das Ermüdungsverhalten in beiden Systemen mit ihrer Mikrostruktur zusammenhängt. Ermüdungsresistenz und durch Ermüdung bedingte Schäden werden auf verschiedenen Längenskalen untersucht, um die Rolle wiederholter Belastungszyklen für das Versagen von Holz und künstlichen Strukturen zu klären. Wir gehen davon aus, dass strukturelle Fasermerkmale auf mikroskopischer, ultrastruktureller und/oder makromolekularer Ebene für die Ermüdungsbeständigkeit von Holz wichtig sind. Wir nehmen an, dass Vorspannungen im Baum und Anpassung durch Wachstum zur Ermüdungsresistenz beitragen. Daher müssen die Ermüdungseigenschaften des Holzes im lebenden Baum von denen des geernteten Holzes getrennt und die relevantesten Längenskalen für die Ermüdungsbeständigkeit identifiziert werden. Wir planen die Herstellung strukturierter Verbundwerkstoffe, die Strukturmerkmale von Holz nachahmen und als nicht-biogene Modellsysteme für Struktur-Eigenschaftsstudien verwendet werden sollen. Insbesondere werden wir auf Hydratation reagierende Mineraldoppelschichtsysteme verwenden, die aus einer aktiven (d. h. feuchtigkeitsempfindlichen) Schicht aus polymervermittelten Mineralien und einer passiven vorstrukturierten Schicht bestehen, welche die Faltmuster steuert. Beim Trocknen induzieren die unterschiedlichen Reaktionen der aktiven und passiven Schichten eine Spannung entlang des 2D-Doppelschichtsystems, die schließlich in der Selbstaufrollung zu komplexen spiraligen Strukturen resultiert. Die Möglichkeit, die Auswirkungen verschiedener hochanisometrischer nano- und mesostruktureller Motive in der Passivschicht auf die durch Hydratation bedingte passive Bewegung der Verbundwerkstoffe zu systematisch untersuchen, wird zur Aufklärung der Korrelationen zwischen den Ermüdungseigenschaften und der strukturellen Anisotropie beitragen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
