Untersuchung des spröd-duktilen Übergangs in glasartigen Polymeren durch Skalenübergreifende Modellierung über atomistische und Kontinuumsskalen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Wuyang Zhao
• Fachliche Zuordnung: Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549959345

Das Ziel dieses Projekts ist es, die physikalischen Mechanismen des spröd-duktilen Übergangs (BDT) in glasartigen Polymeren zu untersuchen. Diese Materialien, die durch Abkühlung von einem flüssigen Zustand auf Temperaturen unter ihrem Glasübergangspunkt entstehen, können unter bestimmten Bedingungen wie Alterung oder verringerten Temperaturen von duktil zu spröde übergehen, was zu plötzlichem Bruch mit weniger Energieaufnahme und potenziellen Unfällen führen kann. Die Verbesserung der Zähigkeit von glasartigen Polymeren, ohne die Steifigkeit zu beeinträchtigen, ist eine bedeutende wissenschaftliche Herausforderung, doch die Mechanismen hinter dem BDT sind nach wie vor schlecht verstanden. In kristallinen Materialien wird der BDT oft auf die Kinetik von Versetzungen zurückgeführt, aber diese Erklärung kann nicht direkt auf glasartige Materialien angewendet werden, da es an gut definierten mikroskopischen Strukturen solcher plastischer Träger wie Versetzungen fehlt. Molekulardynamik (MD)-Simulationen haben gezeigt, dass räumliche Schwankungen der lokalen mechanischen Eigenschaften auf atomarer Ebene und geometrische Belastungsbedingungen entscheidend für den BDT von glasartigen Materialen sind, wobei eine höhere Sprödigkeit mit größeren Schwankungen verbunden ist. Die Berücksichtigung der Auswirkungen geometrischer Belastungsbedingungen unter nicht gleichförmigen Verformungen ist jedoch in reinen MD-Simulationen aufgrund von Rechenbeschränkungen bei Systemgrößen eine Herausforderung. Um diese Einschränkung zu überwinden, verwendet dieses Projekt eine Multiskalen-Simulationstechnik, indem ein MD-Gebiet in ein Kontinuum-Gebiet eingebettet wird, um nicht gleichförmige Verformungsgrenzen für das MD-System durchzuführen. Dieser Ansatz ermöglicht ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen plastischen Trägern und der Beziehung zwischen lokalen Strukturen und globalen mechanischen Eigenschaften in glasartigen Polymeren. Das Projekt besteht aus vier Arbeitspaketen (WPs). WP1 charakterisiert systematisch die Hauptfaktoren, die den BDT unter Verwendung reiner MD-Simulationen beeinflussen. WP2 zielt darauf ab, ein mittelfeldbasiertes konstitutives Modell zu etablieren, das die Entwicklung plastischer Träger in glasartigen Polymeren während der Verformung berücksichtigt. In WP3 wird eine Multiskalen-Simulationstechnik, die in Vorarbeiten entwickelt wurde, verwendet, um die Auswirkungen nicht gleichförmiger Verformungen auf den BDT in glasartigen Polymeren basierend auf MD-Systemen und konstitutiven Modellen aus WP1 und WP2 zu untersuchen. Schließlich untersucht WP4 die Auswirkungen von Nanopartikeln auf den BDT in glasartigen Polymeren. Die Ergebnisse dieses Projekts werden wertvolle Erkenntnisse für das Design der Materialeigenschaften von glasartigen Polymeren liefern, indem geeignete Polymermatrices ausgewählt und geeignete Nanopartikel eingebaut werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen