Kontinuumsmechanische Modellierung des prozessabhängigen kalorischen und thermomechanischen Verhaltens teilkristalliner Polymere

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Böhlke; Professor Dr.-Ing. Alexander Lion
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 328407295

Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten stehen das mechanische, physikochemische und thermodynamische Verständnis sowie die Modellierung teilkristalliner Polymere seit vielen Jahren im Zentrum von Forschungsarbeiten. Teilkristalline Polymere weisen räumlich getrennte Bereiche auf, in denen die Moleküle amorphe und kristalline Phasen ausbilden. Dazwischen befindet sich oft eine Interphase, die meist eine deutlich höhere Glasübergangstemperatur als die mobile amorphe Phase aufweist und daher als starre amorphe Phase bezeichnet wird. Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der phänomenologischen und mikromechanischen Modellierung des prozessabhängigen Verhaltens teilkristalliner Polymerwerkstoffe unter thermischen und volumetrischen Belastungen und verfolgt folgende Hauptziele: 1) Darstellung der Kristallisation und des Schmelzens eines teilkristallinen Modellpolymers in Abhängigkeit von Temperatur und Druck auf Basis einer konsistenten experimentellen Datenbasis im Rahmen der phänomenologischen Kontinuumsthermomechanik mit inneren Variablen. Das modular aufzubauende Materialmodell wird dreidimensional formuliert und im Rahmen des Projektes auf das volumetrische Verhalten spezialisiert. Zum Verständnis der lokalen Vorgänge an den Phasengrenzen sowie zur Überprüfung und Verbesserung der im Rahmen des phänomenologischen Modells gemachten Annahmen, wie z.B. die Existenz von drei Phasen oder die mathematische Struktur der Evolutionsgleichung für den Kristallisationsgrad, soll eine Homogenisierungsmethodik erarbeitet werden, die auf Basis des mikroskopischen Verhaltens der Einzelphasen das mesoskopische Materialverhalten des Werkstoffes beschreiben kann. 2) Mikromechanische Modellierung des Schmelzens und der Kristallisation. Die Kinetik der Kristallisation soll anhand eines vereinfachten Mikrostrukturmodells (basierend auf Rang-1- und Rang-2-Laminaten mit konstitutiv modellierter Grenzfläche) untersucht werden, das ein quantitatives Verständnis der Kristallisation, ausgehend von einem ortsaufgelösten Modell mit beweglichen Phasengrenzen erlaubt. Die beiden zu entwickelnden Materialmodelle stellen erste Bausteine innerhalb einer komplexeren Modellierungsstrategie dar, die über dieses Projekt hinausgeht. Eine wesentliche Grundlage für die Modellbildung sind experimentelle Untersuchungen an einem Modellpolymer hinsichtlich Kalorimetrie und Thermomechanik. Zur Modellentwicklung und Parameteridentifikation ist der Einfluss der mechanischen und thermischen Belastungsgeschichten auf das Kristallisations- und Schmelzverhalten anhand eines geeigneten Modellpolymers experimentell zu untersuchen. Es sollen möglichst viele Materialparameter (z.B. die mechanischen und kalorischen Materialparameter der amorphen und kristallinen Phasen) für das phänomenologische und das mikromechanische Modell verwendet werden. Dies ist möglich, da beide Modellierungen aufgrund der Struktur der Stoffgleichungen trotz grundsätzlicher Modellierungsunterschiede

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen