Thermografische Verfolgung von Deformation und Bruch bei teilkristallinen Polymeren als Grundlage für eine konstitutive Modellierung des Materialverhaltens
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die zentrale Zielstellung für den ersten bewilligten Projektabschnitt bestand in der Erweiterung des Verständnisses über die Kopplung des mechanischen und thermischen Verhaltens und der Struktur von teilkristallinen Thermoplasten unter Deformation. Dazu wurden der charakteristische Spannungs-Dehnungs-Verlauf und die Temperaturänderung während des uniaxialen Zugversuches von amorphem Polyethylenterephthalat (PET) untersucht und analysiert. Für eine systematische Untersuchung des Deformationsverhaltens wurde eine Messmethodik entwickelt, mit welcher alle für die thermomechanische Bilanzierung notwendigen Größen erfasst werden können. Zusätzlich wurde erstmals Synchrotron-Röntgenweitwinkelstreuung (WAXS) simultan zu Thermographie genutzt, um online Kristallisationsvorgänge bei der Deformation zu erfassen bzw. die kristalline Struktur bei deformierten Proben zu bestimmen. Der Verstreckungsprozess, der beim Zugversuch abläuft, konnte dabei in sechs Phasen eingeteilt werden, die insbesondere in Art, Umfang und Rate der morphologischen Änderung des vorliegenden Materials voneinander abzugrenzen sind. Für die einzelnen Deformationsphasen wurde eine energetische Beschreibung auf Grundlage des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik vorgenommen. Durch Variation der Versuchsparameter konnten deren Einflüsse auf den Deformationsverlauf bestimmt werden. Mittels vereinfachender Annahmen wurde ein Modell zur Beschreibung der Temperaturänderung in der Probe in Folge der Deformation unter Berücksichtigung der stattfindenden Strukturänderungen erstellt. Bezüglich der ortsaufgelösten Bestimmung der elastischen Energiedichte (AP 6) während der Projektbearbeitung Probleme bei der messtechnischen Erfassung der Dehnfelder im Bereich der Einschnürung auf. Während mittels der in-situ WAXS-Messungen am DESY (MINAXS-Beamline PETRA-III) erzielten Ergebnisse die Kristallisation bei Verstreckung und Bruch nachgewiesen werden konnte, war es noch nicht möglich, den zeitlichen und örtlichen Ablauf der dehnungsinduzierten Kristallisation detailliert zu verfolgen (AP 7). Die komplexen Zusammenhänge zwischen Kristallisation, Kristallitauflösung und Umkristallisation sowie Kavitation bei der Deformation von teilkristallinen Polymeren, darunter auch PET, sind Gegenstand umfangreicher aktueller Untersuchungen. Weiterhin trat während der Versuche teilweise eine selbsterregte Oszillation sowohl der technischen Spannung und Dehnung, als auch der maximal in der Probe gemessenen Temperatur auf. Dieses Verhalten ist in der Literatur vom Prozess des Kaltverstreckens bekannt. Damals kamen die Autoren allerdings zu dem Schluss, dass dieses Phänomen von keiner nennenswerten Temperaturänderung begleitet wird. Untersuchungen von Roseen u. a. sowie Messungen innerhalb dieses Projektes zeigen jedoch einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Beanspruchung und der Temperaturänderung in der Probe. Diese selbsterregte Oszillation wurde im ersten Projektabschnitt noch nicht systematisch untersucht und sollte ein Schwerpunkt in der Fortsetzungsphase des Projektes sein.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of time dependence of dissipation and strain induced crystallization in natural rubber under cyclic and impact loading. - in: Constitutive models for Rubber X : proceedings of the 10th European Conference on Constitutive Models for Rubber (ECCMR X), Munich, Germany, 28-31 August 2017) / editors Alexander Lion & Michael Johlitz. - Boca Raton [u.a.] : CRC Press, 2017. - S. 173-177 ISBN 978-1-138-03001-5
Schneider, K.; Zybell, L. ; Domurath, J. ; Roth, S. ; Ohm, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9781315223278-30) - Thermographic characterisation of the deformation und fracture behaviour of polymers with high time and spatial resolution. - in: Deformation and Fracture Behaviour of Polymer Materials / Wolgang Grellmann and Beate Langer (Eds). - Springer, 2017. - Chapter 4, S. 55-72 (Springer Series in Materials Science ; 247) ISBN 978-3-319-41877-3
Stein, M.; Schneider, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-41879-7_4) - Thermomechanics of strain-induced crystallization in carbon black filled natural rubber under cyclic loading, 88th GAMM Annual Meeting. - Weimar, 06.03.2017 - 10.03.2017 - PAMM, Proc. Appl. Math. Mech. 17, 493 – 494 (2017)
L. Zybell, J. Domurath, K. Schneider
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201710216) - Characterization of strain induced crystallization (SIC) in natural rubber by synchrotron x-ray-diffraction and simultaneous thermography. - 18th International Conference on Deformation, Yield and Fracture of Polymers. - Kerkrade, NL, 25.03.2018 - 29.03.2018
Schneider, K.; Zybell, L. ; Domurath, J. ; Heinrich, G. ; Ohm, W. ; Rothkirch, A. ; Roth, S.
- Thermomechanische Charakterisierung der Rissspitzenbeanspruchung in Elastomeren. - 50. Tagung DVM- Arbeitskreis Bruchmechanik. - Paderborn, DE, 19.02.2018 - 21.02.2018
Zybell, L. ; Xiang, F. ; Domurath, J. ; Euchler, E. ; Bernhardt, R. ; Oberer, J. ; Bach, S. ; Schneider, K.
