Viskoelastizität

Viskoelastizität bezeichnet das zeitabhängige mechanische Verhalten von Materialien, das elastische und viskose Anteile kombiniert. Elastischer Anteil sorgt für reversible Dehnungen, die unmittelbar nach Entlastung verschwinden; der viskose Anteil führt zu Fließ- bzw. Dämpfungseigenschaften, wobei Energie im Material über die Zeit verloren geht. In vielen Materialien, insbesondere Polymeren, Geweben und Verbundwerkstoffen, ist das Verhältnis dieser Anteile von Zeit, Temperatur und Belastungsfrequenz abhängig.

Zur Charakterisierung verwendet man rheologische Methoden: Dynamische Mechanische Analyse (DMA) oder Rotationsrheometer. Im Frequenzbereich liefern die speichernde Komponente G′ und die Verlustkomponente G′′ Aufschluss über elastische bzw. dissipative Anteile; das komplexe Modulus G*(ω) = G′(ω) + i G′′(ω) fasst diese Eigenschaften zusammen. Im Zeitbereich spricht man von Creep (konstante Last führt zu zunehmender Dehnung) und Relaxation (konstante Dehnung führt zu fallender Spannung). Wichtige Funktionen sind der Relaxationsmodulus G(t) und die Creep-Kurve J(t).

Viskoelastische Modelle dienen zur Vereinfachung des Verhaltens. Beispiele sind das Maxwell-Modell (Feder und Dämpfer in Reihe) und das Kelvin-Voigt-Modell (Feder und Dämpfer parallel). Generalisierte Modelle, etwa die Prony-Reihe, beschreiben komplexe Relaxationsspektren besser und eignen sich zur Materialcharakterisierung.

Die viskoelastische Reaktion hängt stark von Temperatur ab; Zeit-Temperatur-Superposition (TTSP) erlaubt oft, Frequenzabhängigkeiten bei verschiedenen Temperaturen durch Verschiebung auf eine Masterkurve zu übertragen. Nichtlineares Verhalten bei höheren Belastungen, Orientierungseffekte und Alterung sind ebenfalls zu beachten.

Anwendungsbereiche umfassen Polymerwerkstoffe, Biomedizin (Gewebe, Knorpel), Asphalt, Klebstoffe und Lebensmittel. Die Viskoelastizität beeinflusst Dämpfung, Verformung, Haltbarkeit und Schwingungsmanagement in technischen Bauteilen.