Füllstoffeinfluss auf quasi-statische mechanische Eigenschaften von Elastomeren

Abstract

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Beschreibung des Füllstoffeinflusses auf das quasi-statische, mechanische Verhalten von Elastomeren insbesondere unter hydrostatischem Druck. Vulkanisate aus Naturkautschuk und Styrol-Butadien-Kautschuk mit und ohne aktive sowie inaktive Füllstoffe werden untersucht. Der entscheidende Materialparameter zu einer Beurteilung dieses Füllstoffeinflusses ist der Kompressionsmodul, der sowohl vom Füllstoffgehalt als auch von der Beanspruchung anhängt. Außerdem wird ein gegenseitiger Einfluss der Belastungen beobachtet. Die Kompressibilität nimmt nach uniaxialer Beanspruchung um ca. 10 % ab, was durch das freie Volumen verursacht wird. Ebenso nimmt die volumetrische Dehnung unter Zugbelastung nach Kompression zu. Bei hydrostatischen Beanspruchungen ergeben sich Modulwerte größer 2 GPa, die mit zunehmendem Anteil an verstärkenden Füllstoffen größer werden. Der über die Querdehnung bestimmte Kompressionsmodul bei Zugbelastung nimmt um zwei Größenordnungen kleinere Werte als bei hydrostatischer Beanspruchung an. Um eine hohe Abbildungsgüte durch Finite Elemente Simulationen zu gewährleisten, sind beide Fälle bei der Materialmodellierung zu berücksichtigen. Es wird daher ein deformationsabhängiger Kompressionsmodul für den Übergang von oder zu hydrostatischer Belastung definiert. Durch einen Vergleich von Simulationen mit realen Bauteilversuchen wird gezeigt, dass eine hohe Simulationsgüte für verschiedene Belastungsfälle erreicht wird.

The present work contributes to the characterisation of the filler influence on the quasi-static mechanical behaviour of elastomers in particular under hydrostatic pressure. Natural rubber and synthetic styrol butadiene rubber vulcanisates with and without waxes and at different content of carbon black are investigated. The most crucial material parameter to evaluate this influence is the material’s bulk modulus, which is shown to depend on both filler content and type of load. Furthermore, a mutual influence of these loading conditions is observed. The compressibility of NR compounds under hydrostatic load after the application of uniaxial tension reduces by 10 %, mainly caused by the influence of free volume. The volumetric strain under uniaxial tension of previously compressed NR also increases. A hydrostatic load state leads to a modulus larger than 2 GPa, increasing with the filler content. In any other case, where the rubber is not exposed to hydrostatic loads, the bulk modulus resulting from the lateral strain reduces about two orders of magnitude. To achieve a good result quality in finite element simulation both cases have to be taken into account. Therefore, a deformation dependent bulk modulus is defined in order to provide a smooth transition from and to hydrostatic stress. A comparison of simulation and experimental results of real components proves the high result quality for different load cases.