Mehrskalige Hybridmodellierung zum vertieften Verständnis der steuerbaren Leistungsfähigkeiten magnetoaktiver Elastomere

• Antragsteller: Dr. Dirk Romeis
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554602971

Magnetoaktive Elastomere sind Verbundstoffe aus einer weichen Polymermatrix mit eingewobenen magnetisierbaren Partikeln. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes werden die Eigenschaften des Materials erheblich verändert. Die Tatsache, dass Magnetfelder tief in Proben eindringen können und somit nicht nur die Oberfläche, sondern auch das Volumenverhalten verändern, macht diese Elastomer-Komposite zu einem einzigartigen und hochfunktionellen Kandidaten für feldgesteuerte, adaptive Materialien in vielseitigen kommerziellen Anwendungen. Das gleichzeitige Vorliegen weitreichender Wechselwirkungen, bemerkenswerter makroskopischer Deformationen und feldinduzierter mikroskopischer Umverteilungen der Partikel im externen Magnetfeld stellen eine Herausforderung für eine umfassende theoretische Modellierung von magnetoaktiven Elastomeren dar. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, ein mehrskaliges Hybridmaterialmodell zu entwickeln, das es erstmals ermöglicht, gleichzeitig großskalige Deformationsprozesse und lokale Partikelumverteilungen im angelegten Magnetfeld für solche Verbundproben zu berücksichtigen. Über bisherige Ansätze hinausgehend werden affine, verformungsinduzierte Umlagerungen auf der Makroskale mit nicht-affinen feldinduzierten Partikelumverteilungen auf der Mikroskale kombiniert. Dadurch ist es möglich das spezifische Zusammenspiel zwischen beiden Mechanismen zu beschreiben. Unser Ansatz wird explizit die selbstkonsistenten lokalen und globalen Magnetisierungseffekte und die daraus folgenden Wechselwirkungen aufgrund der makroskopischen Probenform und der mikroskopischen Partikelverteilung unter Deformation und Repositionierung berücksichtigen. Das vorgeschlagene Hybridmodell ist als mikroskopische Simulationsmethode für harte Partikel konzipiert, die von einem weichen elastischen Medium umgeben sind in welchem die gegenseitigen hydrodynamischen Wechselwirkungen explizit berücksichtigt werden. Die Partikel sind zusätzlich mit variablen Ankerpunkten verbunden, die an den Verformungszustand gekoppelt sind, um die Informationen aus einer effektiven Energieminimierung auf der Makroskala zu verarbeiten und auszutauschen. Die Verfügbarkeit eines umfassenden Materialmodells mit direktem Zugriff auf die mikrostrukturelle Partikelumverteilung und deren Auswirkungen auf die globalen Eigenschaften makroskopischer Proben ermöglicht eine verbesserte Analyse der praktischen Perspektiven für magnetoaktive Elastomere und wird somit grundlegend dabei helfen, das makro- und mikroskopische Design von Anwendungen zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen