Promotionsprojekt 10: Ermittlung von mikrostrukturellen Schädigungen in interaktiven Faser -Elastomer Verbunden unter Nutzung bildgebender in situ Verfahren und Erstellung von Kriterien zur Schädigungsvorhersage
Inhaltsverzeichnis
Motivation
Nach Ermittlung und Analyse globaler und lokaler Verformungen und der Definition von Versagenskriterien bzw. der Bestimmung von Belastungsgrenzen unter einmaliger und wiederholter mechanischer Belastung stehen nun Untersuchungen der Schädigungen in den aktiven Elementen auf mikrostruktureller Ebene im Fokus. Dies bedarf der Aufklärung des Zusammenwirkens von initialen Materialfehlern und belastungsinduzierten Schädigungsphänomenen. Funktionale Ausfälle von I-FEV auf Basis dielektrischer Elastomeraktoren lassen sich vorzugsweise auf elektrischen Kurzschluss der Elektrodenflächen zurückführen. Um jedoch nicht nur die Funktionssicherheit, sondern auch die Strukturintegrität von I-FEV insbesondere unter dem Gesichtspunkt von 3D-Verformungen mit großer Zyklenzahl zuverlässig vorhersagen zu können, muss auch die mögliche Rissbildung in der faserverstärkten Elastomermatrix an Stellen von Lufteinschlüssen und Füllstoffagglomerationen verstanden sein. Somit ist zur langzeitigen Sicherstellung der Funktion von I-FEV auch die zuverlässige Vorhersage mikrostruktureller Schädigungsphänomene elementar.
Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten
Die aktiven Elemente in I-FEV, besonders dielektrische Elastomeraktoren (DEAs), stehen seit Beginn des 21. Jahrhunderts im Fokus der elektroaktiven Polymerforschung [1–3]. Der elektrische Durchschlag ist einer der am häufigsten vorkommenden Versagensgründe und wurde hinreichend untersucht [4–6]. Der Einsatz von DE-Aktoren für biomimetische Anwendungen ist Gegenstand der aktuellen Arbeiten im PP der Antragstellerin [7, 8], in denen das Schädigungsverhalten und die Materialeigenschaften für einen einmaligen Verformungsvorgang betrachtet werden. In der 1. Kohorte wurden Methoden und Verfahren entwickelt, die eine Untersuchung des 360°-Verformungsverhaltens mittels digitaler Bildkorrelation unter Zuhilfenahme von 12 Kameras ermöglichen (9). Diese Methoden erlauben die ortsaufgelöste Charakterisierung des Verformungsverhalten komplexer I-FEV-Strukturelemente. Entscheidend für den Langzeiteinsatz von DEAs ist jedoch vor allem die zuverlässige Vorhersage der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelationen infolge wiederholter mechanischer Verformungen - die hiermit verbundenen Wirkzusammenhänge sind bisher nicht bekannt und es besteht ein großer Forschungsbedarf.
Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele
Ziel ist es, die entwickelten Materialien einer wiederholten mechanischen Verformung auszusetzen und u.a. mithilfe der Multikamera‑Bildkorrelation den Schädigungszeitpunkt und -ort zu definieren. Anschließende mikrostrukturelle Untersuchungen mittels REM sollen dann Schädigungsart und die zugrundeliegenden Mechanismen aufklären. Die so gewonnenen Daten dienen der Aufstellung von Korrelationen zwischen Belastungsarten und Schädigungsmechanismus. Im Vergleich zur 1. Kohorte sollen nun auch Untersuchungen durchgeführt werden, die nicht nur die Rissinitiierung, sondern auch den Rissfortschritt in der Elastomermatrix, aber auch in aktiven Elementen analysieren. Hierzu gilt es vor allem mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen Rissgeschwindigkeiten für modifizierte und Basismaterialien zu ermitteln. Am Ende der zweiten Kohorte sollen so umfassende Erkenntnisse zum mikrostrukturellen Schadensfortschritt und der zugrundeliegenden Prozess-Struktur-Korrelation zur Verfügung stehen.
Literatur
| [1] | O’Halloran A, O’Malley F, McHugh P. A review on dielectric elastomer actuators, technology, applications, and challenges. J. Appl. Phys. 2008; 104(7):71101. doi: 10.1063/1.2981642. |
| [2] | Rudolph A, Ayers J, Davis JL. Neurotechnology for biomimetic robots. Cambridge, Mass: MIT Press; 2002. |
| [3] | Bar-cohen Y. Electroactive polymers as artificial muscles - Reality and challenges. In: 19th AIAA Applied Aerodynamics Conference. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics and Astronautics; 06112001. S. 1 doi: 10.2514/6.2001-1492. |
| [4] | Plante J-S, Dubowsky S. Large-scale failure modes of dielectric elastomer actuators. International Journal of Solids and Structures 2006; 43(25-26):7727–51. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2006.03.026. |
| [5] | Gatti D, Haus H, Matysek M, Frohnapfel B, Tropea C, Schlaak HF. The dielectric breakdown limit of silicone dielectric elastomer actuators. Appl. Phys. Lett. 2014; 104(5):52905. doi: 10.1063/1.4863816. |
| [6] | Gisby TA, Xie SQ, Calius EP, Anderson IA. Leakage current as a predictor of failure in dielectric elastomer actuators. In: Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2010: SPIE; 2010. S. 764213 (SPIE Proceedings). doi: 10.1117/12.847835. |
| [7] |
Pfeil S, Katzer K, Kanan A, Mersch J, Zimmermann M, Kaliske M et al. A Biomimetic Fish Fin-Like Robot Based on Textile Reinforced Silicone. Micromachines (Basel) 2020; 11(3). doi: 10.3390/mi11030298. |
| [8] | Pfeil S, Henke M, Katzer K, Zimmermann M, Gerlach G. A Worm-Like Biomimetic Crawling Robot Based on Cylindrical Dielectric Elastomer Actuators. Front Robot AI 2020; 7:9. doi: 10.3389/frobt.2020.00009. |
| [9] | Katzer K. Digitale Bildkorrelation zur Validierung des Deformationsverhaltens von Interaktiven Faser-Elastomer-Verbunden. In: Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand: Prüftechnik - Kennwertermittlung - Schadensvermeidung; 2020 doi: 10.48447/WP-2020-031. |
Kontakt
Institut für Werkstoffwissenschaft (IfWW), Professur für Werkstoffmechanik und Schadensfallanalyse, Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden
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Inhaberin der Professur Werkstoffmechanik u. Schadensfallanalyse
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