Elastische Spektroskopie poröser und anisotroper Materialien

Leichtbauwerkstoffe sind von enormer Wichtigkeit für den technischen Einsatz in Luft- und Raumfahrt. Häufig sind diese Materialien Verbundwerkstoffe, d.h. sie bestehen aus einer Matrix, die durch Partikeln oder Fasern verstärkt wird. Durch diese Herstellungsverfahren sind diese Materialien anisotrop und haben zusätzlich eine beträchtliche Porosität. Dies trifft nicht nur auf technische Werkstoffe zu, sondern auch auf biologische Materialien wie Knochen und Holz. Diese sind ebenfalls anisotrope poröse Materialien, wobei die Porosität (wie Blutgefäße oder Tracheiden) notwendig zur Versorgung des lebenden Gewebes sind. Um die allgemeinen mechanischen Eigenschaften eines Verbundwerkstoffes in einer technischen Anwendung aus Finite-Elemente-Modellrechnungen zu bestimmen, ist ein vollständiger Satz an elastischen Konstanten erforderlich. Deren Messung ist mit großen Schwierigkeiten verbunden. Wenn kein Vorwissen über bestimmte Konstanten existiert, ist es von Vorteil, analytische Methoden wie Timoshenkos Resonanzverfahren mit numerischen Verfahren wie resonanter Ultraschallspektroskopie zu kombinieren. Um zusätzlich die Porosität zu berücksichtigen, werden eine Reihe theoretischer Modelle herangezogen. Das Hauptziel des Projektes ist, elastische Daten von genau spezifizierten Materialien zu messen und daraus die elastischen Eigenschaften sowohl des dichten Materials zu bestimmen als auch die Porosität und deren Orientierung. Dazu sollten die verschiedenen theoretischen Modelle verwendet werden. Um deren Gültigkeit und die Grenzen zu bestimmen, sollten die Voraussagen verglichen werden mit der Mikrostruktur von Materialien, die mit verschiedenen Methoden bestimmt wird (Porenverteilung durch digitale Bildverarbeitung von lichtmikroskopischen Aufnahmen, Stickstoffabsorption und Röntgen-Kleinwinkelstreuung). Dadurch sollen sowohl die elastischen Eigenschaften des dichten Materials ("die Materialqualität") als auch die orientierte Porosität ("die Materialarchitektur") gleichzeitig bestimmt werden können.

Anisotrope und hochporöse Materialien sind von besonderer Bedeutung für eine Reihe von technischen Anwendungen. Insbesondere im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind hohe spezifische Festigkeit in bestimmten, ausgezeichneten Richtungen gefordert sowie Strukturen, die trotz geringem spezifischen Gewicht eine hohe Steifigkeit aufweisen. Hochporöse Materialien haben des weiteren ein ausgezeichnetes Dämpfungsverhalten, das zur Verringerung der Lärmbelastung der Umwelt dient oder können aufgrund des hohen Oberfläche zu Volumen Verhältnisses für katalytische Anwendungen bzw. chemische Reaktoren verwendet werden. Eine Voraussetzung für den technischen Einsatz ist die genaue Kenntnis der elastischen Eigenschaften. Die elastischen Moduln bzw. die elastischen Konstanten sind die Basis für das Design von Werkstücken in der Konstruktion, da darauf die numerische Modellierung des Verformungsverhaltens mit Finite-Elemente- Rechnungen beruht. Im Rahmen des Projekts wurde die "Resonanzmethode" weiterentwickelt, um die elastischen Moduln und/oder die elastischen Konstanten von Materialien mit großer Anisotropie und extrem hoher Porosität messen zu können. Der erste Erfolg war die theoretische Lösung des Scherkorrekturfaktors für anisotrope Balken, der auf der aktuellen Scherspannungsverteilung innerhalb des Balkenquerschnitts beruht. Auf dieser Lösung aufbauend wurde die Messapparatur weiterentwickelt, sodass es möglich war, elastische Moduln von keramischen und metallischen Schäumen wie auch von Keramiken, die in einem weiten Bereich unterschiedlicher Porosität hergestellt wurden, zu messen. Weitere interessante Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich dadurch, dass die Messmethode bis zu 2000 C eingesetzt werden kann. Dies ermöglichte die Messung der anisotropen elastischen Eigenschaften der Düse der europäischen Rakete Ariane V. Die "Resonanzmethode" wurde beim europäischen Gremium zur Standardisierung von Messmethoden eingereicht (CEN TC184 SC1) und wird eine europäische Norm zur Messung anisotroper elastischer Moduln bei hohen Temperaturen werden.