D32 Einachsige Zugversuche

Thema

Das vollständige mechanische Verhalten der Insektenkutikula, von der anfänglichen elastischen Verformung bis zum Bruch, einschließlich der plastischen Verformung, lässt sich nur durch einachsige Zugversuche vollständig erfassen. Bei diesen Versuchen wird die Kutikulaprobe kontrolliert bis zum Bruch gedehnt, wobei die Reaktion in jeder Phase aufgezeichnet wird.

Für diesen Zugversuch werden Kutikulaproben präpariert, indem Streifen mit einer genau definierten Orientierung relativ zu den das Material verstärkenden Chitinfasern zugeschnitten werden. Dies ermöglicht den Vergleich des Zugverhaltens derselben Kutikula in Faserrichtung mit dem Verhalten bei Zug in entgegengesetzter Richtung und deckt so die materialbedingte Anisotropie auf.

Während des Zugversuchs wird die auf den Kutikulastreifen wirkende Kraft mit einer Auflösung im Mikronewton-Bereich gemessen, während die Verschiebung der Probe mit einer Auflösung im Nanometer-Bereich erfasst wird. Dies geschieht mittels Elektronenmikroskopie oder digitaler Bildkorrelation. Durch diese Kombination hoher Auflösungen lässt sich eine vollständige Spannungs-Dehnungs-Kurve für den Kutikulastreifen erstellen.

Aus dem Anfangsbereich der Spannungs-Dehnungs-Kurve, in dem sich die Kutikula noch rein elastisch verhält und einer Geraden folgt, wird der Elastizitätsmodul (Young-Modul) der Probe ermittelt. Dieser Wert wird direkt durch die Steigung dieser Anfangsgeraden bestimmt. Das bedeutet, dass der Elastizitätsmodul ausschließlich die elastische Steifigkeit der Kutikula widerspiegelt, ohne den Einfluss der nachfolgenden bleibenden Verformung.

Im weiteren Verlauf derselben Kurve, wenn die Kutikula ihr rein elastisches Verhalten aufgibt und sich dauerhaft verformt, wird ihre Streckgrenze erreicht. Zieht man eine Gerade parallel zum anfänglichen elastischen Bereich, die jedoch um zwei Tausendstel Grad Verformung verschoben ist, so definiert man den Schnittpunkt dieser verschobenen Geraden mit der tatsächlichen Kutikulakurve per Konvention als diese Streckgrenze.

Wird die Spannungs-Dehnungs-Kurve bis zum Bruch der Kutikula aufgezeichnet, so definiert die Fläche unter dieser Kurve die Zähigkeit der Kutikula – eine Größe, die direkt proportional zur Energie ist, die die Probe vor dem Bruch absorbiert. Das bedeutet, dass ein zäheres Material definitionsgemäß mehr Energie absorbieren kann, bevor es vollständig versagt.

Der Vergleich dieser drei Eigenschaften in verschiedenen Insektenregionen zeigt einen deutlichen Unterschied: Die sklerotisierte Mandibelkutikula vereint hohe Härte und einen hohen Elastizitätsmodul mit geringer Zähigkeit, wodurch sie spröde ist und bereits bei minimaler Vorverformung bricht. Die Gelenkkutikula hingegen, verstärkt durch Resilin und weiche Proteine, kombiniert geringe Härte mit hoher Zähigkeit, was zu duktilem Verhalten und der Fähigkeit führt, vor dem Bruch viel Energie zu absorbieren. Wiederholte Zugversuche an Kutikeln unter verschiedenen Luftfeuchtigkeiten zeigen zudem, dass Wasser als Weichmacher für die Kutikula wirkt: Mit steigender Luftfeuchtigkeit wird die Kutikula weniger steif und verformbarer, bevor sie bricht. Daher ist der Wassergehalt neben der Ausrichtung der Chitinfasern und der Insektenkörperregion, aus der die Probe entnommen wurde, einer der wichtigsten Faktoren für das mechanische Verhalten der Kutikula unter Zugbelastung.

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