Dr.-Ing. Wuyang Zhao

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.

Nanocomposites have great potential for various applications since their properties may be tailored to particular needs. One of the most challenging fields of research is the investigation of mechanisms in nanocomposites which improve for instance the fracture toughness even at very low filler contents. Several failure processes may occur like crack pinning, bi-furcation, deflections, and separations. Since the nanofiller size is comparable to the typical dimensions of the monomers of the polymer chains, processes at the level of atoms and molecules have to be considered to model the material behaviour properly. In contrast, a pure particle-based description becomes computationally prohibitive for system sizes relevant in engineering. To overcome this, only e.g. the crack tip shall be resolved to the level of atoms or superatoms in a coarse-graining (CG) approach.

Thus, this project aims to extend the recently developed multiscale Capriccio method to adaptive particle-based regions moving within the continuum. With such a tool at hand, only the vicinity of a crack tip propagating through the material has to be described at CG resolution, whereas the remaining parts may be treated continuously with significantly less computational effort.

Kunststoffe spielen in Ingenieuranwendungen eine wichtige Rolle, wobei sieneue 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 Abmessungenvon einigen Nanometern herzustellen und in Polymeren zu dispergieren. Selbst beigeringem Volumenanteil können diese sog. Nanofüllstoffe - vermutlich durch dassehr große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen - starken Einfluss auf dieEigenschaften der Kunststoffe haben. Der die Füllstoffpartikel umschließendenPolymer-Partikel-Interphase kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu: wieVersuche zeigen, können bestimmte Nanofüllstoffe z.B. die Ermüdungslebensdauervon Kunststoffen um den Faktor 15 steigern.

Für eine effektive Auslegung solcher Nanokomposite sind häufig aufwändigemechanische Prüfungen erforderlich, die durch Simulationen ergänzt oder ersetztwerden könnten. Die üblicherweise Ingenieuranwendungen zugrunde liegendeKontinuumsmechanik zusammen mit der Finiten Elemente (FE) Methode ist hierfüraber kaum geeignet, da sie die Vorgänge auf molekularer Ebene nicht erfassenkann. Dazu ist z.B. die Molekulardynamik (MD) als teilchenbasiertes Verfahrenin der Lage, die aber dafür nur äußerst kleine Systemgrößen undSimulationszeiten erlaubt. Erst die Kopplung beider Ansätze ermöglicht dieSimulation realitätsnaher, sog. repräsentativer Volumenelemente (RVE) unterEinbeziehung atomistischer Effekte.

Ziel des über 4 Jahre laufenden Vorhabens ist die Entwicklung einerMethodik, mit der das Materialverhalten der Polymer-Partikel-Interphase inNanokompositen kontinuumsmechanisch beschrieben kann, wobei die dafürerforderlichen Konstitutivgesetze aus teilchenbasierten Simulationen gewonnenwerden. Da die Interphasen aufgrund ihrer sehr geringen Ausdehnung von einigennm direkten experimentellen Untersuchungen nicht zugänglich sind, übernimmteine teilchenbasierte Simulation die Rolle eines Experiments am realen Bauteil.Als Werkzeug steht die kürzlich entwickelte Capriccio-Methode zurMD-FE-Kopplung amorpher Systeme zur Verfügung, die im Vorhaben verwendet undentsprechend angepasst werden soll.

Mit der zu entwickelnden Methodik sollen mechanische Eigenschaften derPolymer-Partikel-Interphase mittels inverser Paramateridentifizierungen auskleinen Systemen mit einem und zwei Nanopartikeln ermittelt und auf große RVEübertragen werden. Verschiedene Eigenschaften wie beispielsweise diePartikelgröße und -form oder abweichende Oberflächenfunktionalisierungen sollensich durch Anwendung der Methodik aus rein teilchenbasierten Betrachtungen inkontinuumsbasierte Beschreibungen abbilden lassen. Die Behandlung auf der Ebenevon RVE eröffnet dann weitere Möglichkeiten, die Materialbeschreibung auf eineingenieurrelevante Ebene zu übertragen und für die Simulation von Bauteilen zunutzen.