FORSCHUNGSSCHWERPUNKT
COMET K2 MPPE
Strategisches
Forschungsprojekt
www.mcl.at
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A 4.11
Unsere Arbeiten mit dem Configurational Force Konzept eröffnen darüber hinaus
neue Möglichkeiten zur Entwicklung neuartiger schädigungstoleranter und bruch-
resistenter Materialien und Bauteile. Interessant sind in diesem Zusammenhang
verschiedene biologische Werkstoffe, wie Perlmutt oder die Skelette bestimmter
Tiefseeschwämme, die eine hohe Steifigkeit und Festigkeit besitzen und trotzdem
außerordentlich bruchresistent sind. Letzteres ist besonders beeindruckend, da die-
se Werkstoffe überwiegend aus spröden, keramischen Bestandteilen bestehen. Wir
konnten zeigen, dass eine der Hauptursachen für die guten Eigenschaften dieser
Werkstoffe eine periodische Mikrostruktur ist, die aus harten und weichen Schich-
ten besteht. Mittels bruchmechanischer Überlegungen konnten wir ein Kriterium ab-
leiten, wie diese Strukturen aufgebaut sein müssen: Um hohe Steifigkeit mit hoher
Bruchzähigkeit zu verbinden, darf die Wellenlänge
λ
der Struktur eine kritische Grö-
ße, abhängig vom Verhältnis der Elastizitätsmoduln, nicht überschreiten.
Die Arbeiten wurden am Erich Schmid Institut der Österreichischen Akademie der
Wissenschaften, dem Institut für Mechanik der Montanuniversität Leoben und dem
MCL, in Kooperation mit der University of Minnesota, Minneapolis, USA, der Universi-
tät Maribor, Slowenien und dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächen-
forschung, Potsdam, durchgeführt.
a) Skelett eines Tiefseeschwamms; b) Struktur besteht aus dünnen Glasschichten mit weichen Zwischenschichten aus Protein;
(
c, d) Mit Hilfe von Finite-Elemente-Untersuchungen und dem Configurational Force Konzept wurde das Verhalten von kurzen
Rissen in dieser Struktur untersucht. Die dünnen Proteinschichten behindern die Rissausbreitung, weil sie die risstreibende
Kraft sehr stark absenken, sodass der Riss stehen bleibt. Dieser Mechanismus unterscheidet sich grundlegend von den in
Verbundwerkstoffen beobachteten Mechanismen der Grenzflächendekohäsion und Rissablenkung, der in Verbundwerkstoffen
oft beobachtet wird
d)
b)
c)
a)