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Projekt
Untersuchung des Einflusses der thermo-mechanischen und chemo-mechanischen Kopplung auf die funktionellen und strukturellen Eigenschaften von Formgedächtnispolymeren II: Einfluss überlagerter mechanischer Spannungen auf die chemo-mechanische Kopplung und Grenzen des starken Kopplungsansatzes
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Gunther Eggeler; Professor Dr.-Ing. Holger Steeb; Professor Dr. Fathollah Varnik
Fachliche Zuordnung
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Mechanik
Mechanik
Förderung
Förderung von 2014 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257549561
Im vorliegenden Projekt arbeiten im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1733 Materialforscher aus drei Disziplinen zusammen: Werkstoffwissenschaft, Mechanik und Polymerphysik. Ziel des Projektes ist, das Potential von Formgedächtnispolymeren (FGP) für Ingenieuranwendungen auszuloten. FGP Aktuatoren nutzen den Einwegeffekt (1WE). Hierzu verformt man FGP-Proben zunächst stark. Sie behalten die bei der Verformung aufgeprägte Form zuerst bei. Wird die Temperatur über eine Schalttemperatur hinaus erhöht, kehrt das Material in seinen Ausgangszustand zurück. Um FGP in technischen Anwendungen einsetzen zu können, müssen chemo-mechanische Wechselwirkungen berücksichtigt werden. FGP Aktuatoren können in Umgebungen eingesetzt werden, wo kleine Moleküle in die Polymermatrix eindiffundieren können. Dies beeinflusst alle funktionellen Materialeigenschaften (physikalische Alterung). In der ersten Förderphase wurde gezeigt, dass man den 1WE auch chemisch triggern kann. Es wurde eine experimentelle und numerische Datenbasis zur Diffusion von Aceton-, Ethanol- und Wassermolekülen im SMP-Referenzmaterial erarbeitet. Die Kinetik des chemischen Triggerns wurde für lastfreie Linearaktuatoren genau untersucht. Molekulardynamiksimulationen zeigten, dass die Größe der kleinen Moleküle dabei eine wichtige Rolle spielt. Der Einfluss kleiner Moleküle auf den 1WE Effekt wurde auch in neuen kontinuumsmechanischen Ansätzen untersucht.In der zweiten Förderphase verfolgt das Projekt drei neue wissenschaftliche Ziele: Erstens, wird der Einfluss einer überlagerten äußeren Spannung auf den 1WE untersucht. Die überlagerte äußere Spannung spiegelt die Wirkung einer Endlast in einer Aktuatoranwendung wieder. Hierfür werden experimentelle Daten bereitgestellt; der Effekt muss auf molekularer Ebene verstanden und in kontinuumsmechanischen Modellen abgebildet werden. Zweitens, wenn kleine Moleküle in ein FGP eindiffundieren, entstehen dort zeitlich veränderliche Konzentrationsprofile. Insbesondere gibt es anwendungsrelevante Übergangsbereiche, wo die Konzentration in Oberflächennähe bereits ausreicht, den 1WE chemisch auszulösen, während das Probeninnere noch unbeeinflusst ist. Dadurch entstehen heterogene Spannungs- und Dehnungsverteilungen, die sich zeitlich verändern. Diese Zeitentwicklung wird experimentell und theoretisch untersucht. Drittens, nachdem ein grundlegendes Verständnis aller wichtigen Elementarprozesse erarbeitet wurde, müssen auch komplexere Szenarien ins Auge gefasst und theoretisch und experimentell untersucht werden. Dazu gehören die mehrachsigen Belastungsfälle ebenso wie zeitlich veränderliche Beanspruchungsfälle (anisotherme Versuchsführung, zeitlich veränderliche mechanische Belastungen). Darüber hinaus wird untersucht, welche elementaren Prozesse die Lebensdauer von FGP Aktuatoren begrenzen. Auch hier ist von thermo-mechanischen und chemo-mechanischen Kopplungen auszugehen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
