Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFVorhersage auf Basis von chemischer Struktur und mechanischen Eigenschaften
Verbesserte Lebensdauer von Elastomeren
ProElasto
Zyklische Schwingfestigkeitsversuche sind zeitaufwändige und kostenintensive Versuche. Dennoch sind diese Versuche weiterhin die Wahl zu einer Abschätzung der Lebensdauer eines zyklisch belasteten Bauteils. In unserem Projekt gehen wir der Frage auf den Grund, welche Materialeigenschaften eines Elastomers die Lebensdauer beeinflussen. Dabei werden die chemische Vernetzungsstruktur und die mechanischen Eigenschaften eines rußgefüllten Elastomers systematisch in Bezug auf die Lebensdauer in zyklischen Ermüdungsversuchen untersucht.
Strukturuntersuchungen
Die Materialeigenschaften eines Elastomers werden maßgeblich von der vernetzten Polymerstruktur bestimmt. Dabei sind die Maschenweite des Netzwerks (Vernetzungsgrad) und die Art der Netzknoten (unterschiedlich lange Schwefelbrücken) zwei wichtige Strukturgrößen schwefelvernetzter Elastomere. Mit einer Variation der Menge der Vernetzungschemikalien (Schwefel und Beschleuniger) können gezielt Elastomermaterialien mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad und einer unterschiedlich langen mittleren Schwefelbrückenlänge als Netzknoten hergestellt werden.
Abhängigkeit der Härte von den beiden Strukturgrößen Vernetzungsgrad und mittlerer Schwefelbrückenlänge: 3D-Darstellung
Abhängigkeit der Härte von den beiden Strukturgrößen Vernetzungsgrad und mittlerer Schwefelbrückenlänge: Konturplot des Ebenenfits
Linearer Zusammenhang zwischen der Größenordnung der Lebensdauer log(N) und dem Druckverformungsrest (DVR) für unterschiedliche Lastniveaus A
Charakterisierung
Die vernetzten Elastomere werden mit einer Vielzahl an physikalischen Messmethoden charakterisiert. Dabei liegt der Fokus der physikalischen Charakterisierung neben (quasi-)statischen Versuchen wie der Härte oder dem klassischen Zugversuch ebenso auf dynamischen Experimenten wie der dynamisch mechanischen Analyse (DMA). Zusätzlich werden der Druckverformungsrest gemessen und Relaxationsexperimente mit stufenweisen Zugversuchen durchgeführt. Mit Hilfe mathematischer Modelle können die gemessenen mechanischen Eigenschaften mit den Strukturgrößen Vernetzungsgrad und mittlerer Schwefelbrückenlänge korreliert werden.
Für die Bestimmung der Lebensdauer des Materials werden zyklische Ermüdungsversuche auf zwei Lastniveaus durchgeführt und daraus eine Wöhler-Kurve berechnet. Die Zahl der Zyklen bis zum Versagen auf einem festen Lastniveau kann ebenso wie die mechanischen Eigenschaften mit dem Vernetzungsgrad und der mittleren Schwefelbrückenlänge korreliert werden. Eine längere Lebensdauer kann dabei sowohl mit einem niedrigeren Vernetzungsgrad als auch mit einer längeren mittleren Schwefelbrückenlänge erreicht werden.
Lebensdauer-Vorhersage
Für eine Vorhersage wird die Zahl der Zyklen bis zum Versagen auf einem festen Lastniveau in Abhängigkeit der entsprechenden Eigenschaft dargestellt. Die Härte, die Bruchdehnung und der statische Modul zeigen eine lineare Abhängigkeit zur Größenordnung der Lebensdauer (log(N)). Dabei wird die Beschreibung der Lebensdauer für höhere Lastniveaus genauer. Besonders gut, d.h. mit geringer Streuung, ist der lineare Zusammenhang unabhängig vom Lastniveau mit dem Druckverformungsrest.
Eine Abschätzung der Lebensdauer auf Basis der mechanischen Eigenschaften ist somit möglich, sofern ausreichend Daten für eine Korrelation vorhanden sind. In einem nächsten Schritt muss geprüft werden, inwieweit die Ergebnisse von der untersuchten Elastomermischung auf weitere Elastomerzusammensetzungen übertragbar sind. Eine möglichst geringe Zahl an Versuchen ist hierbei das Ziel. Zusätzlich könnten weitere strukturbestimmende Einflüsse wie zum Beispiel die Verarbeitungsbedingungen in eine Modellbildung zur Vorhersage der Lebensdauer in zyklischen Ermüdungsversuchen mit einbezogen werden.