Methodik zur Bestimmung kurzzeitdynamischer Eigenschaften von textilen Hochleistungswerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Chokri Cherif
• Fachliche Zuordnung: Leichtbau, Textiltechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532623057

Das übergeordnete Ziel des Projekts besteht in der Ermittlung und physikalischen Beschreibung der dehnratenabhängigen Materialeigenschaften von Hochleistungswerkstoffen (Glas- (GF), Carbonfasern (CF), Aramidfasern (AF) und Polyethylen(PE)-Fasern) und textiler Strukturen in einem weiten bisher weitestgehend unerforschten Dehnratenbereich mit einer einheitlichen und damit vergleichbaren Ergebnissen generierenden Prüfmethodik. Bei diesen Materialien sollen die spezifischen Merkmale der jeweiligen Faser, z.B. Steifigkeit, Festigkeit, Nicht-Linearität, Energieabsorption und große Dehnung, berücksichtigt werden. Hierbei soll der Dehnratenbereich von 1 s-1 (für weichere Materialien, wie PE) bzw. von 25 s-1 (für hochsteife Materialien, wie GF und CF mit sehr geringen Bruchdehnungen) bis mindestens 1000 s-1 betrachtet werden, für dessen Gesamtheit einerseits keine etablierten Prüfmethoden und -maschinen existieren und andererseits für viele Materialklassen eine Vielzahl an physikalisch bedingten dehnratenabhängigen Materialeigenschaften auftreten. Zur Erreichung des übergeordneten Ziels sind zwei wissenschaftliche Fragestellungen technisch und physikalisch/mathematisch zu erforschen: (i) Zum einen ist die einheitliche Prüfmethodik, mit der die adressierten faserartigen und faserbasierten Strukturen über den gesamten angestrebten Dehnratenbereich zuverlässig und reproduzierbar charakterisiert werden können, zu entwickeln. Hierfür wird auf Ergebnisse eines Vorgängerprojektes zurückgegriffen, in dem ein rotationsbasierter Prüfstand entwickelt und prüftechnisch eingesetzt wurde, mit dem Dehnraten von Hochleistungswerkstoffen bis ca. 285 s-1 aufgeprägt werden konnten. (ii) Zum anderen steht die Ermittlung der dehnratenabhängigen Materialeigenschaften (Bruchdehnung, Festigkeit, Steifigkeit und Bruchenergie sowie Auszugskräfte bei Auszugsversuchen) und die Analyse sowie die wissenschaftliche Erklärung der abgeleiteten Materialeigenschaften im Fokus. Die hierbei ermittelten Materialeigenschaften sind jeweils für sich analytische als materialspezifische dehnraten- und probekörperlängenabhängige Gesetzmäßigkeiten abzuleiten und anschließend über die hierarchischen Strukturen vom Garn zur textilen Fläche in Verbindung zu setzen. Darauf aufbauend sind gezielte textile webtechnische Verstärkungsstrukturen für Verbundanwendungen (z. B. für Impaktszenarien) mit besonders gutem kurzzeitdynamischem Eigenschaftsprofil ableitbar. Die so ermittelten dehnratenabhängigen Materialgesetze stellen unter Zuhilfenahme der Ergebnisse weiterer analytischer Prüfungen auch wichtige Inputparameter für zukünftige molekulardynamische Simulationen von textilen Hochleistungswerkstoffen bzw. darauf basierenden Verbundwerkstoffen unter kurzzeitdynamischen Belastungen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen