Multiskalenmodell der Deformations- und Bruchprozesse von mit dispergierten Kohlenstoffnanoröhren verstärkten Polymeren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sergiy Antonyuk; Professor Dr.-Ing. Oleksandr Hondliakh, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554884501

Bei der Entwicklung verschiedener Produkte und Materialien aus Polymerverbundwerkstoffen für funktionale Zwecke wird derzeit besonderes Augenmerk auf die Steigerung ihrer Festigkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit gelegt. Eine der effektivsten Methoden dafür ist die Entwicklung neuartiger nanomodifizierter Materialien auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren (CNT). Das Deformations- und Bruchverhalten solcher Materialien hängt von der CNT-Konzentration im Polymer ab und kann sich signifikant von nicht nanoverstärkten Polymermaterialien unterscheiden. Ein "Nanoverstärkung-Paradoxon" besteht darin, dass bei einer relativ geringen Konzentration von CNT-Partikeln die Festigkeit des Materials deutlich zunimmt, und bei einer weiteren Erhöhung der CNT-Konzentration stark abnimmt. Der Zusammenhang zwischen den Konzentrations- und Deformationsprozessen auf der Nanoebene einzelner CNT-Partikel und dem makroskopischen mechanischen Verhalten der verstärkten Polymerbauteile wurde wenig untersucht und ist kaum verstanden. Das Ziel dieses Projekts besteht in der Entwicklung eines Multiskalenansatzes, der auf physikalisch basierten Modellen aufbaut. Diese Modelle beschreiben die Prozesse der Bildung und Akkumulation von Defekten auf der Nanoskala, die Entwicklung ihrer Ausbreitung auf der Mikroskala sowie die anschließende Bestimmung der nichtlinearen physikalischen und mechanischen Eigenschaften von nanomodifizierten Polymeren auf der Makroskala. Die Entwicklung dieses Multiskalenansatzes erfolgt durch experimentelle Untersuchungen des Formulierungsprozesses und der daraus resultierenden Eigenschaften der nanomodifizierten Polymere sowie der numerischen Modellierung der Defektbildung mit der Finite-Elemente-Methode auf Nano- und Mikroskalen. Zur Beschreibung des Formulierungsprozesses wird die deterministische Methode verwendet. Diese ermöglicht die detaillierte Untersuchung der Zusammenhänge zwischen allen zeitlich ablaufenden Vorgängen, die beim Dispergierungsprozess auftreten. Dabei werden die Deagglomeration der CNT-Partikel, die Bildung von Gasblasen während der Ultraschallbehandlung und die Veränderung der Gasblasen während des Entgasungsprozesses bis hin zum stationären Zustand des nanomodifizierten Epoxids berücksichtigt. Um diese Methode für die Untersuchungen zu verwenden, wird eine Online-Analyse des dispersen Systems bei der Dispergierung-Entgasung mittels der Extinktionsspektroskopie entwickelt. Der Einfluss des Dispergierprozesses auf die Mikrostruktur, Festigkeitsparameter sowie nichtlineare physikalische und mechanische Eigenschaften von Bauteilen wird experimentell untersucht. Durch die Kombination der experimentellen und numerischen Ergebnisse wird ein Multiskalenmodell entwickelt, welches das mechanische Verhalten nanomodifizierter Polymere genau beschreibt. Zudem werden neue multi-skalige Versagenskriterien für nanomodifizierte Polymere formuliert, um die Festigkeit und Zuverlässigkeit hergestellter Bauteile vorhersagen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen