Thermomechanische Modellierung dünner Polymerschichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Diebels; Professor Dr. Wulff Possart
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5440045

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Am Kontakt zu Metallen können sich die mechanischen Eigenschaften von Polymeren signifikant ändern, es bilden sich Grenzschichten. Da die Dicke der Grenzschichten begrenzt ist, hängt das Verhalten einer Klebung von ihrer Schichtdicke ab. Im vorliegenden Projekt wurden Polyurethanklebungen auf Aluminiumsubstraten untersucht. Dazu wurden isotherme Zugversuche, Kriechversuche und Scherversuche in der für die Modellierung erforderlichen, hohen Präzision aufgebaut und bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Anhand dieser Versuche konnte ein ausgeprägter Maßstabseffekt in der Form „dünner ist nachgiebiger“ nachgewiesen werden, der sich sowohl in der Grundelastizität als auch im viskoelastischen Verhalten des PU widerspiegelt. Um diese Effekte modellieren zu können, wurde ein kontinuumsmechanischer Ansatz um einen Strukturparameter mit einer eigenständigen Bilanzgleichung erweitert. Dieser Parameter steuert die lokalen Materialeigenschaften. Es wurde gezeigt, dass das Model in der Lage ist, das finit viskoelastische Verhalten von Klebungen unterschiedlicher Dicke bei verschiedenen Temperaturen in der Nähe des Glasübergangs zu beschreiben. Die Daten der isothermen Kriechversuche zeigen, daß das angenommene einfache Temperatur-Zeit-Verschiebungsverhalten für das Polyurethan und die Klebungen in Frage steht. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die polymerphysikalischen Konsequenzen herauszuarbeiten und in die kontinuumsmechanische Modellierung zu überführen. Mit dem Aufbau der Biaxialversuche für Messungen bei Raumtemperatur wurde der erste Schritt in Richtung auf die Untersuchung dreidimensionaler Deformations- und Spannungszustände gegangen. Dies wäre fortzusetzen, wenn die erfolgreich realisierten, neuen theoretischen Modelle für die Behandlung techniknaher Probleme weiterentwickelt werden sollen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Effect of the interphase on the mechanical behaviour of thin adhesive films - a modelling approach. In W. Possart (ed.), Adhesion - Current Research and Applications, John Wiley & Sons, Chichester, 2005, pp. 319–335
  S. Diebels, H. Steeb, W. Possart
  
• Modelling of thin polymer films, Proc. Appl. Math. Mech., 5, 417–418, 2005
  M. Johlitz, H. Steeb, S. Diebels
  
• Size effects due to the formation of interphase in polymer joints: A modelling approach. Proc. Adhesion ‘05, 9th Int. Conf. on the Science and Technology of Adhesion and Adhesives, 7–9 September 2005, University of Oxford, IOM Communications Ltd, London, 2005, pp. 184–187
  S. Diebels, H. Steeb, M. Johlitz, W. Possart, J. Batal
  
• Size Effects in Thin Polymer Films: Theoretical and Experimental Investigation, in EUROMECH Colloquium 463, Groningen, The Netherlands, 2005
  H. Steeb, M. Johlitz, S. Diebels
  
• Mechanical Approach to the Influence of the Interphase on Size Effects of Adhesive Layers. Proc. Poster, 3rd World Congress on Adhesion and Related Phenomena (WCARP-III), Beijing, PR China, 15.-18.10.06, p. 3, 2006
  J. Batal, W. Possart, U. Müller, J. Krüger, M. Johlitz, S. Diebels
  
• Size effects due to the formation of interphases in polymer joints. Proc. Appl. Math. Mech., 6, 447–448, 2006
  M. Johlitz, H. Steeb, S. Diebels
  
• A continuum-based model capturing size effects in polymer bonds. J. Phys.: Conf. Ser., 62, 34–42, 2007
  S. Diebels, M. Johlitz, H. Steeb, W. Possart, J. Batal
  
• Erfassung und Modellierung von Massstabseffekten in Klebungen. Tagbd. Deformation und Bruchverhalten von Kunststoffen, 11, 329–332, 2007
  J. Batal, W. Possart, M. Johlitz, H. Steeb, S. Diebels
  
• Experimental and theoretical investigation of nonlinear viscoelastic polyurethane systems. J. Mat. Sci., 42, 9894–9904, 2007
  M. Johlitz, H. Steeb, S. Diebels, A. Chatzouridou, J. Batal, W. Possart
  
• Experimental and numerical investigation of size effects in polyurethane adhesive sealings. Technische Mechanik, 28(1), 3–12, 2008
  M. Johlitz, H. Steeb, S. Diebels, J. Batal, W. Possart
  
• Experimentelle Untersuchung und theoretische Modellierung von Maßstabseffekten in Klebungen. Saarbrücker Reihe Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Band 12. Shaker Verlag, Aachen, 2008
  M. Johlitz
  
• Mechanical behaviour of adhesive joints: A new continuum mechanical description including interphase effects. Proc. 8th EURADH, 3. – 5. September 2008, University of Oxford, 2008
  M. Johlitz, S. Diebels, J. Batal, W. Possart
  
• Size effects in polyurethane bonds: Experiments, modelling and parameter identification. J. Mat. Sci., 43, 4768– 4779, 2008
  M. Johlitz, S. Diebels, J. Batal, H. Steeb, W. Possart
  
• Modelling of thermo-viscoelastic material behaviour of polyurethane close to glass transition temperature. Z. angew. Math. Mech., 90, 387–98, 2010
  M. Johlitz, D. Scharding, S. Diebels, J. Retka, A. Lion
  
• Polyurethane adhesive joints: Why do thermo-mechanical properties seem to depend on bond line thickness?, 4th World Congress on Adhesion and Related Phenomena (WCARP-IV), Société Française du Vide, 26. – 30. September 2010, Arcachon, France
  L. Krogh, T. Helfen, M. Johlitz, S. Diebels, W. Possart