Entropieelastizität

Mit Gummielastizität (Entropieelastizität) bezeichnet man einen Materialwiderstand gegen Dehnung, der auf einer reversiblen Entropienänderung in den Makromolekülen der Materialmatrix beruht. Die Makromoleküle bestehen aus langen Ketten gleicher Bausteine. Der Winkel zwischen zwei Bausteinen wird bei einer Verstreckung des Moleküls reibungsfrei, d.h. ohne Energieaufwand geändert. Allerdings kann durch die verminderte "Unordnung" Energie gespeichert werden. Wird die zur Verstreckung führende äußere Kraft entfernt, so führt eine Enerigeaufnahme aus der Umwelt (Wärmezufuhr) dazu, dass die Moleküle sich wieder verdrehen, die Entropie wird erhöht und das Molekül zieht sich zusammen. Siehe auch bei Elastomer.

Die betroffene Materialgruppe (Elastomere, Gummis, Kautschuk, Silikonkautschuk) zeichnet sich durch eine nichtlineare Spannungs-Dehnungskennlinie, Dämpfungs- und verformungshistorische Effekte sowie eine ausgeprägte Inkompressiblität aus ^[1]. Die Gummielastizität unter quasi-statischen Bedingungen wird Hyperelastizität genannt.

Zur Auslegung dieser Materialien sollte ein Green'sches Materialmodell verwendet werden. Bei den Green’schen Materialien werden über die Energiedichte als Funktion der Dehnungen die Spannungen berechnet, so dass auch nichtlineare Zusammenhänge modelliert werden können ^[2]. Für gummielastische Materialien wurde diese Vorgehensweise durch die Thermodynamik der Entropielastizität hergeleitet ^[3].

Bekannte Ansätze für die Energiedichte sind die Mooney-Rivlin, Neo-Hooke'sche, Yeoh oder Ogden Modelle.

Einzelnachweise

1. ↑ Johannknecht, R.: The Physical Testing and Modelling of hyperelastic Materials for Finite Element Analysis. Fortschrittsberichte VDI, Reihe 20 Nr. 302. VDI-Verlag, Düsseldorf (1999).
2. ↑ R. W. Ogden: Non-Linear Elastic Deformations. Dover Publications, Inc., Mineola, New York (1984).
3. ↑ L. R. G. Treloar: The physics of rubber elasticity. Clarendon Press, Oxford, 1975.