Zur Berücksichtigung der Bilanzen der Ionenladungen auf das Verhalten von ionischen Polymer-Metall Kompositen (IPMC): Ein Modellierungskonzept im Rahmen der Theorie poröser Medien (TPM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Bluhm; Professor Dr.-Ing. Jörg Schröder
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396390451

Ionische Polymer-Metall-Komposite (IPMC) werden der Klasse der Smart Materials zugeordnet. Diese multifunktionalen Materialien setzen sich zusammen aus einem Netzwerk von Polymerfasern mit gebundenen Anionen, deren Porenräume mit Flüssigkeit und mobilen Kationen gefüllt sind; sie können infolge äußerer Einflüsse und/oder aktiver Energiezufuhr ihre Eigenschaften ändern. Die Deformationen der IPMC resultieren aus der Bewegung der Kationen (Diffusion/Migration) infolge eines elektrischen Feldes (Aktoren). Im Gegensatz dazu generieren mechanische Felder (Kraft/Verschiebung) eine elektrische Spannung (Sensoren).Inspiriert durch das Verhalten biologischer Systeme ist die Entwicklung und die Herstellung von IPMC im Hinblick auf neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Ingenieurdisziplinen, der Materialwissenschaften und der Medizintechnik Gegenstand internationaler Forschung. Eine offene wissenschaftliche Fragestellung ist die Vorhersage des Verhaltens von IPMC unter Berücksichtigung der Bilanzen der Ladungen der Ionen mit Quelltermen (Divergenz des elektrischen Stroms). Im Allgemeinen werden die Ladungsträgerdichten der Ionen proportional zu den entsprechenden Konzentrationen angesetzt (Bilanzen der Ladungen sind quellfrei). Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erweiterung eines entwickelten thermodynamisch konsistenten Modells zur Beschreibung des gekoppelten elektro-chemomechanischen Verhaltens von IPMC. Die Erweiterung des Mehrphasenmodells im Rahmen der Theorie poröser Medien (TPM) bezieht sich auf die Berücksichtigung zusätzlicher Terme bezüglich der Zuwächse der elektrischen Energien. Dieses Vorgehen soll die Abhängigkeit der Ionenspannungen u. a. von den entsprechenden elektrochemischen Potenzialen aufzeigen. Des Weiteren soll der Einfluss des elektrischen Stroms auf die Ladungsträgerdichten der Ionen und somit auch auf das elektrische Potential (Gaußsches Gesetz) analysiert werden. Im Hinblick auf die numerische Umsetzung ist es im Vergleich zum vorhandenen Modell erforderlich, die schwachen Formen der Bilanzen der Ladungen der Ionen und der Bilanz der Bewegungsgröße für die Kationen (Anionen sind gebunden am Polymer) aufzubereiten. Die Diffusion der mobilen Kationen und demzufolge auch das Verformungsverhalten des IPMCs sind stark geprägt vom Randbereich des Polymers in unmittelbarer Nähe der Elektroden. Somit ist zu erwarten, dass im Hinblick auf die FE-Simulation eine hohe Diskretisierungsdichte in Raum und Zeit erforderlich ist. Daher soll das erweiterte Modell für die Verwendung von ParFEAP (paralleles Finite-Elemente-Programm FEAP) in Verbindung mit dem Hochleistungsrechner magnitUDE (HPC-System an der Universität Duisburg-Essen) aufbereitet werden. Numerische Simulationen mit PARFEAP sollen die Anwendbarkeit des entwickelten Modells aufzeigen; die Ergebnisse werden mit verfügbaren experimentellen Daten aus der Literatur validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen