Mechanische Belastungsgrenzen dynamisch belasteter Silikonelastomere unter besonderer Berücksichtigung von Alterungseinflüssen durch Temperatur- und Ozonbelastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Werner Gold
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 18203109

Bauteile aus Elastomerwerkstoffen werden im Maschinenbau und in der Antriebstechnik häufig verwendet. Im Vordergrund stehen bei diesen Werkstoffen schwingungstechnische Eigenschaften. Daneben ist jedoch die Lebensdauer von solchen Elastomerbauteilen eine wesentliche Kenngröße. Bis jetzt werden für dynamisch belastete Elastomerbauteile überwiegend Naturkautschuke eingesetzt; aufgrund ihrer überragenden Eigenschaften werden zunehmend Silikonelastomere interessant. Silikonelastomere zeigen über einen weiten Temperaturbereich (-50 bis + 200 °C) kaum Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Sie haben hervorragende und einzigartige Eigenschaften, beispielsweise sehr gute Heißluftbeständigkeit, sehr hohe Flammwidrigkeit, gute Beständigkeit gegenüber Chemikalien, hohe Transparenz und eine gute Biokompatibilität [19]. Auch sind Silikonelastomere weitgehend gegen Ozon beständig. Eine Möglichkeit die Lebensdauer von Elastomerbauteilen für die Versagensursache Ermüdung abzuschätzen, stellt das Wöhlerlinienkonzept dar. Hierzu ist am IME ein Prüfkonzept bestehend aus Prüfkörper und Prüfstand für Naturkautschuk NR entwickelt worden. Es sind umfangreiche Versuche am IME an Probekörpern aus NR durchgeführt worden, die durch die vorherrschend einachsige Beanspruchung Drehschub belastet wurden. Aus den Versuchsergebnissen wurden statistisch abgesicherte Wöhlerlinien ermittelt, die im Zeitfestigkeitsgebiet prinzipiell einen ähnlichen Vertrauensbereich abdecken wie entsprechende Versuche für Stahl. Im Gegensatz zu Stahl konnte jedoch auch bei sehr hohen Lastwechselzahlen kein Übergang zu einem Dauerfestigkeitsbereich gefunden werden. Die Übertragbarkeit der Versuchsergebnisse auf reale Bauteile gelingt am Beispiel von auf Drehschub belasteten Kupplungen sehr gut. Zusätzlich zu den Versuchen mit Probekörpern aus NR sind am IME erste Versuche an Proben aus Silikonelastomeren durchgeführt worden. Hierbei zeigte sich, dass die Silikonproben bei Raumtemperatur bei gleichen dynamischen Belastungen sehr viel früher (ca. Faktor 5) ausfielen, als NR-Probekörper. Bei einer Umgebungstemperatur von 100 °C verschlechterten sich die ertragbaren Belastungen bei NR drastisch, bei Silikonelastomeren war nur ein geringer Abfall festzustellen. Dieses Verhalten der Silikon-Probekörper zeigt beispielhaft, dass sich die wesentlichen positiven Eigenschaften der Silikonelastomere erst bei komplexen Beanspruchungszuständen aus mechanischer Belastung, Temperatur und Alterung zeigen. Das Ausfallverhalten von dynamisch belasteten Silikonelastomeren ist nur unzureichend bekannt. Am Beispiel der auf Drehschub beanspruchten Probekörper soll nun unter Anwendung der erprobten Methoden und neuartiger Untersuchungsmethoden [2, 22, 23, 42] diese Situation geändert werden. Es soll untersucht werden, wie Silikonelastomere unter Einfluss von Temperatur- und Ozonbelastung versagen. Die mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, Dämpfung, Setzung etc.) sollen auf einem servoelektrischen Prüfstand bestimmt werden. Die chemischen Vorgänge im Elastomer und seinem Netzwerk sollen mit der magnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) erfasst werden. Insbesondere Querschnitts-Untersuchungen mit Hilfe der NMR sollen erstmals detaillierten Aufschluss über das Versagensverhalten von Silikonelastomeren geben. Ziel des Vorhabens ist es, das Wöhlerlinienkonzept für NR um Silikonelastomere zu ergänzen. Für verschiedene Temperaturbelastungen sollen Wöhler- und Haighdiagramme erstellt werden, um das elastomerspezifische Schädigungsverhalten zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen