Die Mikrostruktur von Polymermaterialien hat entscheidenden Einfluss auf deren makroskopische Eigenschaften. Ein verbessertes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen bietet die Möglichkeit einer gezielten Materialgestaltung, wobei in Mehrkomponentensystemen Grenzflächeneigenschaften und die Morphologie ebenfalls eine wichtige Rolle spielen.

Für die meisten Einsatzgebiete von Polymeren sind besonders die mechanischen Eigenschaften, die im Brennpunkt der Arbeiten stehen, entscheidend. Strukturuntersuchungen werden in verschiedenen Größenskalen, beginnend vom Nanometerbereich bis hin zu makroskopischen Abmessungen, durchgeführt. Direkte Korrelationen zwischen Struktur, Konformation, Orientierung, Morphologie, Phasenzusammensetzung, Homogenität, Dispersion usw. sollen aufgezeigt werden.

Bei der Online-Strukturcharakterisierung mittels Röntgenstreuung können temperaturabhängig Strukturänderungen während Deformation und Bruch direkt verfolgt werden. Wegen der erforderlichen Strahlintensität und Zeitauflösung werden die Untersuchungen im Allgemeinen am Synchrotron (DESY, Hamburg) durchgeführt. Aus den Streubildern werden unter Ausnutzung der Fasersymmetrie der Proben Segmentlängenverteilungsfunktionen bestimmt. So konnte die dehnungsinduzierte Kristallisation von Naturkautschuk mit hoher Zeitauflösung (ca. 10 ms) und scannend im Bereich von Rissspitzen mit hoher Ortsauflösung  (ca. 20 Mikrometer) verfolgt werden.

Für die praxisrelevante Materialcharakterisierung ist es erforderlich, Messungen sowohl unter relevanten Belastungsbedingungen durchzuführen, als auch das Materialverhalten z.B. für FE-Modellierung konstitutiv zu beschreiben. Dazu steht in einem gut ausgerüsteten Prüflabor ein breites Spektrum von Prüfvorrichtungen zur Verfügung quasistatisch als auch dynamisch, bei Raumtemperatur wie auch bei erhöhter/erniedrigter Temperatur, unter uni- als auch biaxialer Belastung.

Insbesondere für die Charakterisierung von Elastomeren ist eine dynamische Prüfung unter uni- und biaxialer Belastung mit optischer Dehnungsaufnahme für das Deformations- und Bruchverhalten wichtig.

Forschungsfelder

1. Komplexe Strukturkomponenten

Bruchmechanik und Statistische Mechanik von verstärkten Elastomerblends

• Charakterisierung von Elastomeren unter uni- und biaxialer Belastung
• Bruchmechanik von Elasomeren mittels des J-Integral-Konzepts
• DFG-Forschergruppe FOR 597

2. Online-Strukturuntersuchung während Deformation und Bruch von Polymeren

• Synchrotron-Röntgenklein- und weitwinkelstreuung (SAXS und WAXS) zur Verfolgung von Strukturänderungen

3. Mechanische Charakterisierung von Polymeren

• Mechanische Charakterisierung von Polymeren, Compositen, Textilien, Fasern und verwandten Materialien wie auch Kunststoffen für praktische Anwendungen

• Thermomechanische Polymercharakterisierung

• Adhäsion und bruchmechanische Charakterisierung von Polymeren

• Mechanische Charakterisierung im Mikro- und Sub-Mikro-Bereich incl. Nanoindentation

• In-situ Techniken zur Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

• Modellierung des mechanischen und bruchmechanischen Verhaltens von Polymeren und Verbunden
   
• Bestimmung von Struktur und Morphologie mittels rheologischer Methoden

• Mikromechanisches Verhalten von Polymerverbunden und deren Versagensverhalten

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The microscopic structure of polymeric materials has a significant impact on their macroscopic properties. A better understanding of the structure-properties relations offers the possibility of a dedicated materials design and optimisation, where in multicomponent materials also interfaces and morphology play a major role.

In particular mechanical properties are important in most polymer applications, which are in the focus of the work. Structural investigations are performed at different levels from a nanometer scale to macroscopic dimensions, and a direct correlation between structure, conformation, orientation, morphology, phase compositions, homogeneity, dispersion etc. and important properties like toughness, strength, adhesion is tried to be established.

During Online-structure characterisation by x-rays it is possible to follow directly temperature dependent structural changes during deformation and fracture. Due to the necessary beam intensity and time resolution the investigations were performed mostly with synchrotron radiation (DESY, Hamburg). Using fibre symmetry of the specimen segment length distributions were estimated from the pattern. So it was possible to follow the strain induced crystallization of natural rubber with high time resolution (about 10 ms) and scanning around a crack tip with high space resolution (about 20 microns).

For practical reasons it is necessary to perform measurements also under application-relevant loading conditions and to describe material behaviour by constitutive laws. Therefore in a well-equipped testlab a wide number of devices is available for quasistatic as well as dynamic load, at room temperature as well as at elevated temperature.

Mainly for elastomers a the dynamical characterization under uniaxial and biaxial load with optical measurement of 2d-strain-fields is important for the description of deformation and fracture behaviour.

Research Fields

1. Complex Structural Components

Fracture mechanics and statistical mechanics of reinforced elastomeric blends

• Characterization of elasomeric blends under uni- and biaxial load
• Fracture mechanics of elastomers by J-integral concept
• DFG research unit FOR597

2. Online structure characterisation during deformation and fracture of polymers

• Synchrotron x-ray small- and wide angle scattering (SAXS and WAXS) to follow structural changes

3. Mechanical characterization of polymers

• Mechanical characterisation of polymers, composites, textiles, fibres and related materials as well as polymer materials for practical applications
   
• Dynamic-mechanical and thermo-mechanical characterisation
   
• Adhesion and fracture mechanics
   
• Development of micro-mechanical techniques
   
• Mechanical characterisation in the micro and nano range (including nanoindentation)
   
• In-situ techniques for structure-properties relations
   
• Detection of Structure and Morphology by means of Rheological Methods

• Micromechanical and failure behaviour of polymer composites