Alterung, Stabilität und Verträglichkeit energetischer Materialien

Unter energetischen Materialien versteht man Stoffe, die beim Abbrand oder der Detonation große Energiemengen freisetzen. Dazu gehören am Fraunhofer ICT unter anderem Sprengstoffe, Raketenfesttreibstoffe, Treibladungen oder Pyrotechnik. Um deren Nutzungs- und Lebensdauer zu ermitteln, führen wir Untersuchungen zur Alterung, Stabilität und Verträglichkeit durch. Das ist ein elementarer Beitrag zur sicheren Handhabung dieser Werkstoffe.

• Unter Alterung versteht man die Gesamtheit aller im Laufe der Zeit in einem Material irreversibel ablaufenden chemischen und physikalischen Vorgänge.
• Die Lebensdauer der Materialien wird durch die erwünschten oder unerwünschten Eigenschaften des Systems begrenzt.

Diese Vorgänge, sowie das Zusammenspiel verschiedener energetischer und nicht-energetischer Komponenten untersuchen wir, um die Änderungen dafür maßgeblicher Materialeigenschaften über die Zeit zu ermitteln. Betrachtet werden beispielsweise Gasentwicklung, Stoffabbau oder Wärmeentwicklung aufgrund chemischer Abbaureaktionen.

Durch die Analyse der chemischen Reaktionen und ihrer Kinetik kann für bekannte Systeme vorhergesagt werden, wie lange die Lebensdauer dieses Systems unter der erwarteten, klimatischen Beanspruchung, beispielsweise bei gemäßigtem Klima oder bei Wüstenklima ist.

Neben der chemischen Lebensdauer, beispielsweise durch Zersetzungsprodukte steigende Reib- oder Schlagempfindlichkeit, können auch mechanische, wie das Bruch- oder Dehnungsverhalten, oder physikalische Eigenschaften, wie die Abbrandgeschwindigkeit, bestimmt und in die Lebensdauervorhersage eingebunden werden.

Aus den ermittelten Kennwerten werden theoretische Modelle zum besseren Verständnis der Reaktionen auf molekularer Ebene entwickelt. Dazu werden die gemessenen Größen kinetisch modelliert und anschließend die Aktivierungsenergien der einzelnen Prozesse bestimmt. Damit kann die Lebensdauer für feststehende Temperaturen aber auch für Temperaturprofile, wie beispielsweise das sogenannte Phoenix-Profil, berechnet werden.

Mit diesem Wissen lassen sich auch chemische Stabilisatoren entwickeln, die in das Reaktionsgeschehen eingreifen, die Zersetzung und damit den Materialabbau verlangsamen.