structure FOR597 DFG-Forschergruppe

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Das Ziel der Forschergruppe besteht in der Bereitstellung eines skalenübergreifenden Verständnisses von Bruchprozessen in verstärkten Elastomerblends, unterstützt durch entsprechende molekular-statistisch gestützter, mesoskopischer sowie kontinuumsmechanischer Modellbildungen. Neben der Gewinnung für handhabbarer Haltbarkeitsaussagen in Kombination mit der Finite-Elemente-Methode, sollen grundsätzliche Fragestellungen, wie z. B. dem Einfluss von Vordeformationen, der dehnungsinduzierten Anisotropie und der fraktalen Eigenschaften der Füllstoffcluster auf die Rissausbreitung, erforscht werden.

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Geplatzter PKW-Reifen als Folge einer katastrophalen Rissausbreitung


Technische Elastomere sind hoch gefüllte, vernetzte und topologisch verschlaufte Polymerblendsysteme. Sie besitzen aufgrund ihrer einstellbar elastischen und dämpfenden Eigenschaften weite Einsatzbereiche in Industrie und Technik, z. B. in Reifen, Antriebssystemen und Druckwalzen. Wegen der vorwiegend dynamischen Einsatzbedingungen werden an diese Werkstoffe extrem hohe Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Stabilität gestellt. Die geforderte lange Lebensdauer wird im Allgemeinen durch Materialschädigungen infolge von Verschleißmechanismen wie Abrasion und Ermüdungsverschleiß herabgesetzt, die meist auf Rissbildung und Rissausbreitung zurückgehen.

Die wissenschaftliche Bedeutung des grundlagenorientierten Vorhabens liegt in der neuartigen Zusammenführung von in unterschiedlichen Längenskalen operierenden experimentellen Methoden zur bruchmechanischen Charakterisierung von gefüllten Elastomerblends und von neuen Methoden der Werkstoffmodellierung, welche die strukturellen Gegebenheiten dieser Werkstoffklasse skalenübergreifend berücksichtigen.

Das Forschungsvorhaben umfasst Strukturaspekte gefüllter heterogener Polymernetzwerke im Bereich von einigen Nanometern bis hin zu Millimetern und verbindet diese Aspekte mit den konstitutiven Eigenschaften der Elastomere mit dem Ziel, verlässliche Lebensdauer- und Haltbarkeitsaussagen durch den Einsatz neuer bruchmechanischer und materialtheoretischer Methoden in Kombination mit numerischen strukturmechanischen Simulationen auf der Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu gewinnen. Durch das theoretisch-numerische Vorgehen können komplexe Geometrien und Beanspruchungszustände realistisch abgebildet werden. Bei der Werkstoffcharakterisierung der Elastomere sind dabei große Verzerrungen, nichtlineare Elastizität einschließlich Erweichungseinflüssen, geschwindigkeits- und frequenzabhängige sowie geschwindigkeitsunabhängige dissipative Eigenschaften zu berücksichtigen.

Die skalenübergreifende Forschungskonzeption der Forschergruppe stellt eine wissenschaftlich anspruchsvolle, interdisziplinäre Herausforderung an der Schnittstelle zwischen den Natur- und den Ingenieurwissenschaften dar. Viele Fragestellungen sollen und können dabei von zwei Seiten, der makroskopischen und der mikroskopischen/nanoskopischen Seite, betrachtet werden. Aus der Konvergenz der beiden Betrachtungsweisen und Zugänge sind wichtige Synergien zu erwarten.

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Einfluss unterschiedlicher Längenskalen auf die Rissentstehung und Ausbreitung


Als Werkstoffe mit Modellsystemcharakter werden in der Forschergruppe verschiedene Elastomersysteme untersucht, die mit nanostrukturierten Füllstoffen wie Ruß, gefällter Kieselsäure sowie nanodispersem Schichtsilikat verstärkt sind.

Eine gemeinsame Basis der Forschergruppe stellen die hinsichtlich der Elastomersysteme in einem definierten Rahmen erstellten physikalischen, bruchmechanischen und morphologischen Werkstoffkenndaten dar. Diese Ergebnisse beeinflussen die Entwicklung der molekular-statistischen Modellierung der Rissausbreitung im Kontext einer verallgemeinerten Polymerkettendynamik. Daraus abgeleitete Erkenntnisse beeinflussen zusammen mit den untersuchten Zusammenhängen zwischen Morphologie der heterogenen Systeme und deren bruchmechanischen Kennwerten die Modellbildung auf der mesoskopischen Ebene, und garantieren die weitere Entwicklung von verlässlichen Lebensdauer- und Haltbarkeitsaussagen durch den Einsatz neuartiger bruchmechanischer und materialtheoretischer Methoden in Kombination mit der FEM. Der Rückgriff auf die Basis der Werkstoffkenndaten ermöglicht dann eine entsprechende Validierung.

Die durch die beteiligten Wissenschaftler gegebene Konstellation begünstigt in erheblichem Maße die gesamtheitliche Bearbeitung des Themas, d. h. die Erarbeitung von wissenschaftlichen Grundlagen und von Strategien der Übertragung auf technische Anwendungen. Die Forschergruppe ist ein Beispiel für das Zusammenspiel von ingenieur- mit naturwissenschaftlichen - insbesondere physikalischen - Methoden.
 

Deutsches Institut für
Kautschuktechnologie e.V.


Martin-Luther-Universität
Halle-Wittenberg
Institut für
Werkstoffwissenschaft


Max-Planck-Institut
für Polymerforschung Mainz


Leibniz-Institut
für Polymerforschung
Dresden e.V.


TU Chemnitz
Institut für allgemeinen Maschinenbau
und Kunststofftechnik


TU Dresden
Institut für Statik und
Dynamik der Tragwerke