Identifikation von Interphaseneigenschaften in Nanokompositen

Drittmittelfinanzierte Einzelförderung


Details zum Projekt

Projektleiter/in:
Dr.-Ing. Sebastian Pfaller

Projektbeteiligte:
Wuyang Zhao

Beteiligte FAU-Organisationseinheiten:
Lehrstuhl für Technische Mechanik

Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
Projektstart: 01.10.2018
Projektende: 30.09.2020


Forschungsbereiche

Multiskalenmechanik
Lehrstuhl für Technische Mechanik
Materialmechanik
Lehrstuhl für Technische Mechanik


Kurzbeschreibung (allgemeinverständlicher Überblick):



Kunststoffe spielen in Ingenieuranwendungen eine wichtige Rolle, wobei sie
neue Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Materialeigenschaften bieten.
Sie bestehen aus langkettigen Polymeren und bieten, zusammen mit z.B.
Füllstoffen, ein enormes Potential für maßgeschneiderte Eigenschaften.



Moderne Verfahren erlauben es, Füllstoffpartikel mit typischen Abmessungen
von einigen Nanometern herzustellen und in Polymeren zu dispergieren. Selbst bei
geringem Volumenanteil können diese sog. Nanofüllstoffe - vermutlich durch das
sehr große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen - starken Einfluss auf die
Eigenschaften der Kunststoffe haben. Der die Füllstoffpartikel umschließenden
Polymer-Partikel-Interphase kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu: wie
Versuche zeigen, können bestimmte Nanofüllstoffe z.B. die Ermüdungslebensdauer
von Kunststoffen um den Faktor 15 steigern.



Für eine effektive Auslegung solcher Nanokomposite sind häufig aufwändige
mechanische Prüfungen erforderlich, die durch Simulationen ergänzt oder ersetzt
werden könnten. Die üblicherweise Ingenieuranwendungen zugrunde liegende
Kontinuumsmechanik zusammen mit der Finiten Elemente (FE) Methode ist hierfür
aber kaum geeignet, da sie die Vorgänge auf molekularer Ebene nicht erfassen
kann. Dazu ist z.B. die Molekulardynamik (MD) als teilchenbasiertes Verfahren
in der Lage, die aber dafür nur äußerst kleine Systemgrößen und
Simulationszeiten erlaubt. Erst die Kopplung beider Ansätze ermöglicht die
Simulation realitätsnaher, sog. repräsentativer Volumenelemente (RVE) unter
Einbeziehung atomistischer Effekte.



Ziel des über 4 Jahre laufenden Vorhabens ist die Entwicklung einer
Methodik, mit der das Materialverhalten der Polymer-Partikel-Interphase in
Nanokompositen kontinuumsmechanisch beschrieben kann, wobei die dafür
erforderlichen Konstitutivgesetze aus teilchenbasierten Simulationen gewonnen
werden. Da die Interphasen aufgrund ihrer sehr geringen Ausdehnung von einigen
nm direkten experimentellen Untersuchungen nicht zugänglich sind, übernimmt
eine teilchenbasierte Simulation die Rolle eines Experiments am realen Bauteil.
Als Werkzeug steht die kürzlich entwickelte Capriccio-Methode zur
MD-FE-Kopplung amorpher Systeme zur Verfügung, die im Vorhaben verwendet und
entsprechend angepasst werden soll.



Mit der zu entwickelnden Methodik sollen mechanische Eigenschaften der
Polymer-Partikel-Interphase mittels inverser Paramateridentifizierungen aus
kleinen Systemen mit einem und zwei Nanopartikeln ermittelt und auf große RVE
übertragen werden. Verschiedene Eigenschaften wie beispielsweise die
Partikelgröße und -form oder abweichende grafting densities sollen sich durch
Anwendung der Methodik aus rein teilchenbasierten Betrachtungen in
kontinuumsbasierte Beschreibungen abbilden lassen. Die Behandlung auf der Ebene
von RVE eröffnet dann weitere Möglichkeiten, die Materialbeschreibung auf eine
ingenieurrelevante Ebene zu übertragen und für die Simulation von Bauteilen zu
nutzen.


Zuletzt aktualisiert 2019-20-03 um 08:25