Kontinuumsmechanische Modellierung der physikalischen Alterung von Polymerschichten im Glasübergangsbereich

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Alexander Lion
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2012 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 212858442

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, ein kontinuumsmechanisches Materialmodell zu entwickeln, zu identifizieren und in ein Finite Elemente Programm zu implementieren, mit dem sich das physikalische Alterungsverhalten von auf Metallsubstrate applizierten Polymerschichten ingenieurmäßig simulieren lässt ohne mikroskopische Prozesse im Detail aufzulösen. Vereinfachend wird von idealer Adhäsion ausgegangen. Interphasen- bzw. Grenzflächeneffekte, die sich auf wenige Nanometer beschränken, werden zunächst nicht behandelt. Die zu untersuchenden Schichtdicken liegen zwischen 50 μm und einigen 100 μm. Polymerbeschichtungen werden häufig zum Schutz von Solarzellen, Metalloberflächen und elektronischen Komponenten vor Umwelteinflüssen sowie zur biokompatiblen Beschichtung von medizinischen Implantaten eingesetzt. Die physikalische Alterung ist eine bei Polymeren im Glaszustand auftretende Änderung der Materialeigenschaften (spezifisches Volumen, Wärmekapazität, Relaxationsfunktion, etc.) mit der Zeit. Diese ist umso stärker ausgeprägt, je näher sich das Polymer am Glasübergang befindet. In der Praxis führt die alterungsinduzierte Volumenschrumpfung einer auf ein Substrat applizierten Polymerschicht dazu, dass sich im Lauf der Zeit Spannungen aufbauen, die letztendlich zum Versagen der Beschichtung führen können. Zur Charakterisierung der Materialeigen-schaften von ungealterten und gealterten Modellpolymeren werden mechanische, thermische und kalorische Experimente durchgeführt. Auf Grundlage dieser Daten wird das Materialmodell entwickelt. Die Validierung findet durch begleitende Versuche von polymerbeschichteten biegeweichen Metallfoli-en statt. Da die Eigenschaften von Polymerwerkstoffen vom Herstellungsprozess abhängen, werden die Bulkproben und die Beschichtungen mit derselben elektrostatischen Applikationstechnik hergestellt.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Michael Johlitz