Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)
Bruchzähigkeit und Durchstoßfestigkeit sind in vielen Anwendungsbereichen wichtig, wie persönliche Schutzausrüstung (z.B. Helme, Schutzwesten). In den letzten Jahren haben mechanisch stabile, bruchfeste Frucht- und Samenwände zunehmend Interesse als Ideengeber für neuartige bioinspirierte Materialsysteme geweckt, weil sie Steifigkeit, Härte und Bruchzähigkeit in einem Materialsystem vereinen und nur aus einer geringen Zahl von Grundmaterialien bestehen. Ein vielversprechendes Beispiel ist das Kokosnuss-Endokarp, der innersten Teil der dreischichtigen Fruchtwand der Kokos-Steinfrucht, der das weiße Kokosfleisch und den Pflanzenembryo umgibt.
Die (mikro-)mechanischen Eigenschaften wurden durch quasi-statische Kompressionstests an kleinen Endokarpproben sowie an intakten „Kokosnüssen“, d.h. dem Kokosnuss-Endkarp, getestet. Diese Experimente erlauben es zudem, zu überprüfen, ob die Weibull-Vorhersage auch für das quasi-spröde Kokosnuss-Endokarp gilt. Die dynamischen Brucheigenschaften wurden mit einem instrumentierten Schlagpendel getestet. Die Kombination verschiedener optischer Methoden (LM, SEM, µ-CT) ermöglicht es, die Struktur des Endokarps auf verschiedenen hierarchischen Ebenen (mm bis sub-µm-Bereich) quantitativ zu analysieren und mit den mechanischen Eigenschaften zu korrelieren. Die Normalisierung der Bruchkraft intakter „Kokosnüsse“ (3,0 - 3,5kN) auf die Endokarpdicke zeigt, dass das Kokosnuss-Endokarp zu den mechanisch stabilsten Frucht- und Samenwänden gehört. Die Druckfestigkeit von Endokarp-Proben unterscheidet sich abhängig von der Probenorientierung signifikant mit 200 MPa für normal zur Endokarp-Oberfläche und 150 MPa für parallel zur Oberfläche hergestellte Proben. Wir konnten zudem nachweisen, dass das Kokosnuss-Endokarp der Weibull-Vorhersage folgt, d.h. die Festigkeit nimmt mit der Probengröße ab (Weibull-Modul: m = 14,1 - 16,5).
Die quantitative Analyse des Form-Struktur-Funktionszusammenhangs ermöglicht ein besseres Verständnis des Kokosnuss-Endokarps und damit die Abstraktion von Strukturparametern, die in bioinspirierte Materialien übertragen werden können, um die Bruchzähigkeit und Durchstoßfestigkeit zu verbessern. Dies geschieht derzeit für so unterschiedliche technische Materialien wie Beton und faserverstärkte Kunststoffe.
