Mechanik

Kraft vs. Kugel

Körniges Material zeichnet sich durch sehr faszinierende mechanische Eigenschaften aus, die sich stark von ihren festen Schüttgütern unterscheiden. Ein alltägliches Beispiel für körnige Mechanik lässt sich aus gemahlenem Kaffeepulver ableiten. In vakuumierten Säcken verpackt, verzahnen sich die Partikel stark, was zu einer sehr harten und festen Kaffeepackung führt.

Wir untersuchten daher die mechanischen Eigenschaften geordneter kolloidaler Aufbauten. Mit besonderem Augenmerk auf die Herstellung von Leichtbauwerkstoffen haben wir kolloidale Mono- und Multilayer aus Silika-Hohlkugeln untersucht. Hohlkugeln weisen unter Druckbelastung eine spezielle Verformung auf. Die Steifigkeit der Kapsel selbst hängt vom Verhältnis zwischen dem Radius der gesamten Kugel und dem Quadrat der Schalendicke ab. Mit Hilfe eines Nanoindenters untersuchten wir die kooperativen mechanischen Eigenschaften von Einzel-, Doppel- und Dreischichtfolien aus monodispersen Silika-Hohlkugeln.

Die Geschwindigkeit der Verformung kann ebenfalls einen signifikanten Einfluss auf die mechanische Reaktion eines bestimmten Materials haben. Insbesondere sehr rasche Kompressions- oder Dehnungsraten, die bei Stoß- oder Explosionseinwirkungen auftreten, sind auf der Nano- und Mesoskala noch nicht hinreichend erforscht. Eine Methode zur Überwindung dieser Lücke wurde daher entwickelt: LIPIT - laserinduzierte Projektilaufprallversuche. Diese erlauben es, nanostrukturierte Proben mit wenigen Mikrometern großen "Kugeln" oder Partikeln mit bis zu Mach10 zu beschießen und die lokale Auswirkung dieses Schockereignisses zu untersuchen.

Die mechanische Charakterisierung erfolgt in Kooperation mit Gruppen am MIT und der University of Massachusetts in Amherst.