Mechanik der Polymerwerkstoffe

Polymere Faserverbundwerkstoffe werden in hochbeanspruchten, sicherheitsrelevanten Konstruktionen, z. B. im Flugzeugbau, im Automobilbau sowie in der Windenergie-Industrie eingesetzt. Der Fachbereich ist auf dem Gebiet der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen tätig. Das Spektrum der Untersuchungen reicht von der statischen Festigkeit über die Betriebsfestigkeit bis hin zur Messung bruchmechanischer und viskoelastischer Parameter. Die Größenordnung erstreckt sich vom mikroskopischen Maßstab, z. B. bei der Messung der Adhäsion zwischen Fasern und Polymermatrix, bis hin zu Betriebsbelastungsversuchen an Komponenten von Rotorblättern für Windkraftanlagen. Zum Einsatz kommen neben den konventionellen, zerstörenden Prüfverfahren auch zerstörungsfreie Methoden sowie die numerische Simulation.

Das ein- und mehrachsige Versagensverhalten von Faserverbundwerkstoffen wird experimentell sowohl mit Standard-Prüfverfahren als auch mit spezifischen Prüfverfahren untersucht, z. B. um das Delaminationsverhalten zu analysieren, sowie mit Hilfe der Finite-Element-Methode simuliert. Spezielle Messtechniken wie die Schallemissionsanalyse und die Röntgenrefraktions-Topographie werden zur Charakterisierung der Schädigungsakkumulation eingesetzt, z. B. bei CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) ummantelten Druckbehältern oder Segelflugzeugen aus GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff). Mittels Nanoindentation werden die lokalen mechanischen Eigenschaften von Polymeren bestimmt. Der Einfluss von Medien auf die Festigkeit von Polymeren wird im Hinblick auf deren Einsatz als Werkstoffe für Behälter zum Transport gefährlicher Güter untersucht.

Ziel

Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauteilen aus Polymeren und Faserverbundwerkstoffen unter Extrembedingungen.

Kompetenzbereiche

• Mikromechanik
• Betriebsfestigkeit, Versagensverhalten, Schadensanalyse
• Werkstoffmechanik und Schallemissionsprüfung
• Multiaxiale Versagenskriterien für Faserverbundwerkstoffe
• Degradation von Polymerwerkstoffen durch Medieneinfluss

Arbeitsschwerpunkte

• Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen unter statischer- und dynamischer Last sowie unter Langzeit- und Temperatur-Wechsel-Beanspruchung
• Bauteil- und Komponentenprüfung für die Windkraft-, Flugzeug-, und Automobilindustrie
• Analyse des Schädigungsverhaltens mittels Schallemissions- und Röntgenverfahren
• Einfluss von Medien auf Festigkeit und Bruchverhalten von Polymerwerkstoffen
• Bruchmechanische Prüfungen des Delaminationsverhaltens von Faserverbundwerkstoffen - Double-cantilever-beam Test (DCB), End-notched-flexure Test (ENF), Mixed-mode-bending Test (MMB)
• Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analyse von Kunststoffen (DMTA)
• Materialcharakterisierung im Mikromaßstab (Folien, Filme, Fasern, Oberflächen, Adhäsion, partikelgefüllte Kunststoffe)
• Zeitstandsverhalten von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen
• Entwicklung und Validierung von Schallemissionsprüfverfahren
• Sonderprüfverfahren – Intralaminare Schubkennwerte mittels Schubrahmen, Zwischenfaserbruchanalyse mittels Röntgenrefraktionstopographie, Zug/Druck-Torsionsprüfung an Rohrprobekörpern, Schalenstrukturen unter Druckschwellbelastung
• Experimentelle Untersuchungen und Finite-Element Simulation des multiaxialen Versagensverhaltens von Faserverbundwerkstoffen
• Allgemeine Schadensanalyse von Kunststoffprodukten, Schadensgutachten
• Prüfungen für Materialzertifizierungen, Zulassungsverfahren und Gutachten nach DIN/EN/ISO, ASTM
• Forschungs- und Entwicklungsvorhaben zur technischen Sicherheit und Zuverlässigkeit von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen
• Entwicklung von Prüfmethoden für kundenspezifische Fragestellungen
• Normung (DIN/EN/ISO) und Regelsetzung (DGZfP, AFF, ANF DVM, VAMAS)
• Beratung und Information von Behörden und Industrie
• Betreuung von Studien-, Bachelor- und Masterarbeiten sowie Doktoranden und Post docs

Technische Ausstattung

• Servohydraulische computergesteuerte Prüfmaschinen im Kraftbereich von 10 kN bis 500 kN
• Zweiachsige servohydraulische Prüfmaschine (+/- 250 kN / 2.000 Nm mit Klimakammer - 60 °C bis + 180 °C / 10 % bis 90 % rel. Feuchte)
• Elektromechanische Prüfmaschinen für Prüfkräfte 10 kN bis 100 kN
• Mikrozug/Druckprüfanlagen 10 mN bis 5 N
• Mehrkanal-Messsysteme für die Schallemissionsprüfung
• Labor-Röntgenanlagen zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Faserverbundwerkstoffen
• Klimawechselschrank - 60 °C bis + 180 °C / 10 % bis 90 % rel. Feuchte, 15 K/min
• CAD und FEM
• Härte- und Mikrohärtemessverfahren, 0,01 mN bis 10 mN
• Dynamisch-Mechanisch-Thermische Analyse (DMTA)
• Rastersondenmikroskop
• Rasterelektronenmikroskop (REM)
• Lichtmikroskope (Stereomikroskop, Polarisation)
• Instrumentiertes Pendelschlagwerk mit Temperierkammer (4 J bis15 J, - 70 °C bis + 300 °C)
• Zeitstandprüfanlage mit Temperierkammer (- 30 °C bis + 130 °C)
• Zeitstandzugprüfanlage mit temperierter Medienlagerung - FNCT (+ 20 °C bis + 95 °C)
• Fließprüfgerät für MFR und MVR (Tmax 400 °C)
• Hydraulische Plattenpresse (Tmax 400 °C, Pmax 15 MPa)
• Kryo-Mikrotom, Schleif- und Poliereinrichtungen

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