Überblick

Wenn Gummi zu Bruch geht

Die Bruchmechanik von Gummiwerkstoffen zeigt vielfältige Aspekte, die auch für Physiker interessant sind.

  • Gert Heinrich, Manfred Klüppel, Thomas Vilgis und Thomas Horst
  • 05 / 2012 Seite: 39

Die Challenger-Katastrophe, das Debakel um geplatzte Reifen beim Ford Explorer oder der Skandal um schadhafte Brust­implantate sind besonders öffentlichkeitswirksame Vorfälle, bei denen Gummiwerkstoffe versagt haben. In den letzten Jahren ist es gelungen, die ursprünglich für Stahl entwickelten Methoden der Bruchmechanik auf diese Werkstoffe zu übertragen. Skalenübergreifende physikalische Modelle helfen dabei, handhabbare und verlässliche Aussagen zur Haltbarkeit und Lebensdauer zu gewinnen.

Wenn Gummiwerkstoffe versagen, kann das dramatische Folgen haben. Einer der spektakulärsten Fälle war sicher die Challenger-Katastrophe am 28. Januar 1986, bei der alle sieben Besatzungsmitglieder starben. Eine Untersuchungskommission wurde einberufen, um den Unfall zu klären. Einer der prominentesten Mitglieder, Richard Feynman, führte auf einer öffentlichen Sitzung der Kommission ein Experiment zur Elastizität der Dichtungsringe vor, das die Frage nach der Unfallursache beantwortete und tags darauf die Medien beherrschte: Ursache für die Katastrophe waren schadhafte Dichtungsringe aus Gummi an einer der beiden wieder verwendbaren Feststoffraketen. Bei den relativ niedrigen Nachttemperaturen verloren die Ringe an Elastizität, sodass ein Leck entstand, aus dem Gas austrat und sich entzündete.

Materialversagen war auch die Ursache des „Fire­stone-Ford-Debakels“ im Jahr 2000. Der Ford Explorer war mit Firestone-Reifen ausgestattet, die auffallend häufig Reifenplatzer hatten. Die Folge waren rund 700 Unfälle, davon 200 mit Todesfolge. Eine Rückrufaktion von 30 Millionen Reifen verursachte direkte Kosten von 3,5 Milliarden US-Dollar. Weniger spektakulär sind der alltägliche Reifenabrieb oder die bei besonders rauen Fahrbedingungen, etwa auf Schotterpisten, hervorgerufenen Verschleißphänomene. Ein aktuelles Beispiel von Materialversagen lieferten Brust­implantate, die aufgrund von Rissen im Silikongummi geplatzt sind.

Sowohl bei Reifengummi als auch bei dem sehr weichen Silikongummi handelt es sich um chemisch vernetzte und verschlaufte Polymernetzwerke, die relativ stark verformbar sind. Reifengummi besteht in der Regel aus einem Gemisch („Blends“) verschiedener Polymertypen wie natürlichem oder synthetischem Kautschuk. Zusätzlich sind sie noch mit Füllstoffen wie technischen Rußen oder gefällter Kieselsäure (bei Silika-Reifen) verstärkt. ...

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