Third party funded individual grant
Start date : 15.10.2018
End date : 31.01.2024
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 Oberflächenfunktionalisierungen 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.