Modellierung und Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von grenzflächen-strukturierten Mehrschichtkompositen unter großen Deformationen

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Jana Wilmers
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449062206

Durch gezielte Strukturierung von Schichten und Grenzflächen in Mehrschichtsystemen lassen sich bemerkenswerte Deformationseigenschaften auch für steife und unflexible Materialien realisieren. Dies basiert auf einem einfach zu formulierenden, aber schwierig umzusetzenden Prinzip: Nicht das steife Material wird gedehnt, sondern die Struktur.Grenzflächen zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Eigenschaften sich signifikant von denen des Volumenmaterials unterscheiden. So sind Grenzflächen u.a. verantwortlich für die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit eines Werkstoffs und beeinflussen elektrische und thermische Leiteigenschaften. Durch Strukturierung wird das Grenzfläche-zu-Volumen-Verhältnis gesteuert und zusätzliche Funktionalität induziert wie im Falle der in diesem Projekt betrachteten großen Dehnbarkeiten durch Strukturierung.Erfolgreiche Anwendung dieser funktionalen Strukturen erfordert umfassendes Verständnis der involvierten mechanischen Prinzipien. Nur mit diesem können grenzflächenstrukturierte Mehrschichtsysteme gezielt entwickelt und optimiert werden. Aufgaben, die dabei von größter Bedeutung sind, sind die Maximierung des „nutzbaren“ funktionalen Materials, d.h., Optimierung der Spannungs- und Dehnungsfelder, sowie die Verbesserung der Lebensdauer unter verschiedensten mechanischen Lastfällen.Ziel dieses Projekts ist es, die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Kompositmaterialien mit strukturierten Grenzflächen zu modellieren. Ausgehend von numerischen Studien werden die zugrunde liegenden mechanischen (sowie später die thermischen und elektrischen) Mechanismen aufgeklärt um die theoretische Grundlage für eine gezielte Entwicklung von strukturierten, dehnbaren Mehrschichtwerkstoffen zu legen. Mit Hilfe von kontinuumsmechanischer Modellierung und Finiter Element Analyse werden die Verformungsmechanismen sowie Versagen durch Reißen und Delamination untersucht. Es werden Algorithmen für die automatisierte Generierung von repräsentativen Volumenelementen entwickelt, die eine gezielte Variation verschiedener Geometrie- und Materialeigenschaften in unterschiedlichen Strukturen ermöglichen. Der Einfluss dieser Geometrie- und Materialparameter auf die mechanischen Eigenschaften, die Dehnbarkeit und das Rissausbreitungs- und Versagensverhalten werden analysiert. So wird ein theoretisch numerisches Framework geschaffen, mit dem strukturierte Mehrschichtkomposite ins besondere im Hinblick auf eine Anwendung in mikroelektronischen Systemen entwickelt und optimiert werden. Da die gewonnenen Erkenntnisse auf geometrisch-mechanischen Beziehungen beruhen, ist zu erwarten, dass sie auch auf andere Materialklassen und Anwendungsgebiete übertragbar sind. 

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen