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Experimentelle Untersuchungen und Beschreibung des deformationsinduzierten anisotropen Werkstoffverhaltens von verstärkten Elastomeren = Experimental study and characterization of the deformation induced anisotropic material behavior of reinforced elastomers
2015 & 2016
Dissertation, RWTH Aachen, 2015
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-07
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-010096
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567858/files/567858.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/567858/files/567858.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Mullins-Effekt (frei) ; Spannungserweichung (frei) ; deformationsinduzierte Anisotropie (frei) ; mehrstufige Beanspruchung (frei) ; verstärkende Füllstoffe (frei) ; biaxiale Zugprüfmaschine (frei) ; mullins effect (frei) ; stress softening (frei) ; deformation induced anisotropy (frei) ; multiple-stepped loading (frei) ; biaxial tensile testing machine (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die erstmalige Beanspruchung eines Elastomers in einer Richtung bewirkt nicht nur eine Spannungserweichung (Mullins-Effekt) in dieser Belastungsrichtung, sondern auch einen entsprechenden Effekt bei anschließender Deformation in einer beliebigen anderen Richtung. Jedoch ist nach einer Änderung der Belastungsrichtung der Mullins Effekt im Vergleich zur Richtung der ersten Beanspruchung nicht so stark ausgebildet. In Abhängigkeit von der Deformationshistorie zeigt der Werkstoff ein ausgeprägt anisotropes mechanisches Verhalten. Für die vergleichsweise aufwendige experimentelle Identifikation dieses Phänomens wird eine geeignete Probekörpergeometrie und Prüfmethodik entwickelt. Da sich die unter dem Sammelbegriff Mullins-Effekt auftretenden Entfestigungserscheinungen sich nicht nur auf die Spannungsreduktion beschränken, wird insbesondere der Einfluss der auftretenden Restdehnung im primären Belastungsschritt auf die deformationsinduzierte Anisotropie und ihre richtungsabhängige Berücksichtigung untersucht. Um den anisotropen Mullins-Effekt zu quantifizieren bzw. das resultierenden Werkstoffverhalten in den unterschiedlichen Belastungsrichtungen zu vergleichen, werden die Verformungsarbeiten der primären Belastungsrichtung und der Beanspruchung nach einer Richtungsänderung (Sekundärbeanspruchung) gegenübergestellt. Die dabei resultierenden und hier verwendeten Maße zeigen, dass der anisotrope (primäre) Energieverlust (Mullins-Effekt) mit der Zunahme der Richtungsänderung abnimmt, während es sich beim sekundären Mullins-Effekt umgekehrt verhält. Damit kann experimentell nachgewiesen werden, dass die Richtungsänderung nach einer vorherigen Beanspruchung signifikant das entstehende Werkstoffverhalten beeinflusst. Im Interesse einer umfassenderen Beurteilung des anisotropen Mullins-Effekts wird der Einfluss der aktiven Füllstoffe Ruß und Kieselsäure (Silica) untersucht. Besonders der Einfluss der Rußeigenschaften, bspw. der spezifischen Oberfläche, der Struktur sowie des Rußanteils wird experimentell herausgearbeitet. Ein Vergleich zwischen den ruß- und kieselsäuregefüllten Elastomeren sowie von verschiedenen Kautschukpolymere liefern weitere Erkenntnisse zum anisotropen Werkstoffverhalten von verstärkten Elastomeren.The first uniaxial extension of reinforced rubber materials causes stress softening (the Mullins effect) not only in this loading direction but in any other direction of subsequent extension. However, the Mullins effect is less pronounced after a change of loading direction than in the direction of the initial loading. Due to the deformation history mechanical behaviour of the the rubber vulcanisate is distinctly anisotropic. To trace the anisotropic Mullins effect, firstly the standard test method for characterization of the isotropic mechanical behaviour must be extended. The appropriate type of specimen enables to perform multiple load steps with alternating load directions. After repeated stretching in the same direction, a subsequent first uniaxial loading in any other direction is characterized by a stiffer stress–strain behavior compared with the stabilized curve of the previous primary load. Due to the high relevance of the primary permanent set for this experimental method and their strong influence on the secondary load step, the direction dependent consideration is studied. On behalf of a more comprehensive evaluation of the anisotropic Mullins effect the role of active filer like carbon black and silica was investigated. In particular, not only the influence of basic properties of carbon blacks, such as specific surface area or structure, but also the influence of the amount incorporated was determined experimentally. The comparison of carbon black and silica filled vulcanisates provided more insights in the anisotropic material behaviour of reinforced elastomers. For the anisotropic (primary) Mullins effect a similar behaviour can be detected regarding the well-known one-dimensional Mullins effect. In summary, the vulcanisates soften high levelly in the primary load (one-dimensional Mullins effect) and in this way, they show a high level deformation induced anisotropy of the Mullins effect. For the visualization of the direction-dependent stress softening the comparison of the Mullins effect and the applied primary strain energy density is proposed to identify the resulting anisotropic material properties of the elastomer.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT018897817
Interne Identnummern
RWTH-2016-01009
Datensatz-ID: 567858
Beteiligte Länder
Germany
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