Elektrisch-schaltbare thermo-mechanische 3D Mikrokanalkomposite - Herstellung, Charakterisierung und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Rainer Adelung, seit 2/2024; Professor Dr.-Ing. Matthias Ziegenhorn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501386727

Ziel dieses Antrages ist die Erforschung und Entwicklung multiskaliger, funktionaler Durchdringungskomposite, die durch einen elektrischen Stimulus gezielt und reversibel in ihren physikalischen Eigenschaften verändert werden können. Das Konzept basiert auf mikrostrukturierten Polymeren, die von einem ungeordneten Netzwerk aus verbundenen Mikrokanälen durchzogen sind. Durch die gezielte Beschichtung der Mikrokanalwände mit einer Dünnschicht aus leitfähigen Nanomaterialien, wie Graphen, entstehen elektrisch leitfähige Durchdringungskomposite, die durch einen extrem niedrigen Volumenanteil an leitfähigen Material gekennzeichnet sind. Die mechanischen Eigenschaften des Matrixmaterials bleiben dadurch nahezu unverändert, gleichzeitig ermöglicht die Funktionalisierung aber ein schnelles Aufheizen des Komposites durch Joule-Heizen.Im Rahmen dieses Antrages werden diese Materialeigenschaften genutzt um Durchdringungskomposite zu entwickeln, die sich rapide und reversibel in ihren mechanischen Eigenschaften elektrisch schalten lassen. Hierzu werden thermoresponsive Füllmaterialien in die Mikrokanäle der Polymermatrix eingebracht, deren Eigenschaften sich in einem begrenzten Temperaturbereich sprunghaft ändern, wodurch sich auch die mechanischen Eigenschaften des Komposites ebenso sprunghaft um mehrere Größenordnungen schalten lassen. Basierend auf diesen neuartigen dreiphasigen Durchdringungskompositen kann so eine rapide und gleichmäßige Eigenschaftsänderung eines Volumenmaterials erreicht werden. Die Dichte an Mikrokanälen und damit der Anteil an thermoresponsiven Füllmaterial kann gezielt über einen Bereich von 4 % – 40 % eingestellt werden, um so die benötigten Schaltzeiten der Eigenschaftsänderung zu optimieren.Kernziel des Projektes ist es, die grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Prinzipien und Mechanismen dieser funktionalen Durchdringungskomposite zu verstehen, um dadurch die Kernfragen zu beantworten: Wie ist der Zusammenhang zwischen dem Anteil des thermoresponsiven Füllmaterials und der zugehörigen Eigenschaftsänderung? Wie beeinflussen die beteiligten Mechanismen die Schaltzeiten?Im Rahmen des Projektes werden hierzu ausgewählte Durchdringungskompositsysteme hergestellt und hinsichtlich ihres elektrisch-thermisch-mechanischen Verhaltens charakterisiert. Der Charakterisierung liegen Modellierungsansätze zugrunde, welche die Zustände des Durchdringungskomposite erfassen, den Schaltvorgang abbilden können sowie Rückschlüsse auf die Variation der Stimulationsprozesse und/oder Werkstoffkombinationen zulassen. Aufbauend auf den Ergebnissen der elektro-thermischen Stimulation können weitere Stimuli-responsive DDK entwickelt werden. Die Korrelation und Kombination von verschiedenen Stimuli-Eigenschafts-Paaren wird zukünftig die Entwicklung Multi-Stimuli-responsive Durchdringungskomposite ermöglichen, die in der Lage sind unterschiedliche Eigenschaften (z.B. magnetisch, optisch, mechanisch) gezielt und separiert voneinander verändern zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Fabian Schütt, bis 2/2024