Modellierung und Simulation des elektro-mechanischen Verhaltens von Kohlenstoffnanoröhren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 213150194

Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) gelten in der Aktorik als Materialien der Zukunft. Ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften prädestinieren sie für mögliche Anwendungen z.B. in der Mechanik und der Aktorik. CNTs sind zylinderförmig aufgerollte Graphitschichten. Sie besitzen eine enorme Steifigkeit und liefern bei kleinen angelegten elektrischen Spannungen Dehnungen von mehr als 1%. Mit CNTs wurden zwar experimentelle Untersuchungen durchgeführt, Modelle, die das mechanische Verhalten beschreiben, liefern bisher jedoch noch sehr unterschiedliche Werte für die Materialparameter. Ziel des beantragten Projektes ist es, durch Modellierung und Simulation des (elektro-)mechanischen Verhaltens von einzelnen CNTs, die Vorgänge im Material besser zu verstehen, und Voraussetzungen für die Beschreibung für einen möglichen Einsatz als Aktoren und Sensoren, z.B. im Leichtbau, zu schaffen. Hierzu erfolgt eine Modellierung des molekular-mechanischen Verhaltens mit Finite-Elemente-Methoden. Neben kovalenten Bindungen ist es nötig, weitere Kraftfel-der (z.B. van-der-Waals-Kräfte) zu berücksichtigen. Zur Darstellung des Aktuationsverhaltens der CNTs durch angelegte elektrische Potentialdifferenz soll in der zweiten Projektphase zusätzlich die elektro-mechanische Interaktion abgebildet werden. Gegenüber quantenmechanischen Methoden bietet der hier vorgeschlagene molekular-mechanische Ansatz den Vorteil kurzer Rechenzeiten und einfacher Handhabbarkeit, was die Anwendbarkeit auch auf größere Strukturen, aufgebaut aus mehreren CNTs, ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen