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Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load

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Die Rolle von Mikrostrukturen bei Granulaten

Körnige Materialien wie etwa Sand sind komplexe Systeme, in denen sich einzelne Sandkörner gemeinsam und auf komplizierte Weise verhalten und interagieren. Eine durch die EU finanzierte Initiative hat ihr mechanisches Verhalten durch fortschrittliche Experimenten unter Zuhilfenahme von 3D-Röntgentomographie und Diffraktion untersucht.

Grundlagenforschung

Das Projekt GRANULAR MECHANICS (Combined 4D experimental grain-scale characterisation of grain-strains, force transfer and kinematics in natural granular material (sand) under load) diente der Untersuchung der Rolle der Mikrostruktur und der mikrostrukturellen Prozesse, die auf das mechanische Verhalten von granularen Materialien wie beispielsweise Sand Einfluss nehmen. Ein besseres Verständnis granularer Materialien in Sachen Quantifizierung wird bei der Entwicklung und Kalibrierung zukunftsweisende theoretischer und numerischer Verfahren bei der Modellierung von deren Mechanik hilfreich sein. Deshalb griffen die Wissenschaftler auf neuartige Versuche, Datenanalyse und 3D-Bildverarbeitung zurück, um zu gleicher Zeit unter mechanischer Belastung Partikelkinematik, strukturelle Evolution, Kraftübertragung und Elastizität im Sand zu messen. Die Forschung konzentrierte sich auf die Entwicklung neuer Verfahren zur gleichzeitigen Quantifizierung der Kinematik und der internen Spannungen aller einzelnen Sandkörner, die in Proben mit vielen einer Deformation unterliegenden Körnern enthalten sind. Röntgentomografie und Bildanalyse lieferten Daten zur granularen Kinematik, während die dreidimensionale Röntgendiffraktometrie (3DXRD), die zur Untersuchung von Metallen entwickelt wurde, angepasst wurde, um kristallografische Gitterspannungen in einzelnen Sandkörnern (Quarzkristalle) zu vermessen. Mit einer Kombination aus 3DXRD und tomografischer Röntgenbildgebung sowie dreidimensionaler digitaler Bildanalyse erzielten die Forscher erstmalig eine gemessene Kornkinematik und abgeleitete Kraftübertragungen innerhalb von starren, lichtundurchlässigen Materialien. Diese Messungen verknüpfte man mit makroskopischen Verhaltensweisen und Eigenschaften wie etwa Spannungs-Dehnungs-Verhalten, Probensteifigkeit und statistischer Konfiguration des Systems. Das Projekt war ein wichtiger Schritt hin zu mehr Erkenntnissen über granulare Mechanik von der Größenordnung des Kristallgitters aus einzelnen Sandkörnern bis hin zu Wechselwirkungen der Körner untereinander und bis zur Bildung von Kraftübertragungsstrukturen. Diese als Kraftketten bekannten Strukturen können im Meso- und Makrobereich Steifheit und Defekte steuern. Die Ergebnisse von GRANULAR MECHANICS werden die Forscher bei der Entwicklung besserer Modelle der granularen Mechanik zu entwickeln. Die innovative Arbeit des Projekts wird den verschiedensten Sektoren, etwa der industriellen Pulververarbeitung, pharmazeutischen Tablettenherstellung und Lebensmittelwissenschaft zugutekommen. Und man wird sogar das Verhalten des Bodens an Landeplätzen auf Mond oder Mars vorhersagen können.

Schlüsselbegriffe

granulare Materialien, Granulate, Sand, GRANULAR MECHANICS, Kraftübertragung, 3DXRD

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