FOR 5599:  Vom Herstellungsprozess strukturierter magnetischer Elastomere zum makroskopischen Materialverhalten

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Maschinenbau und Produktionstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 511114185

Magnetische Gele und Elastomere bestehen aus magnetischen kolloidalen Partikeln, die in ein weiches, elastisches Trägermedium eingebettet sind. Die vielversprechenden Eigenschaften dieser Materialien umfassen insbesondere magnetorheologische Effekte, also Änderungen mechanischer Eigenschaften in äußeren Magnetfeldern, und Magnetostriktion, also durch Magnetfelder induzierte Deformationen. In zahlreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die innere Strukturierung, gegeben durch die Anordnung der magnetischen Partikel im elastischen Trägermedium, diese Effekte wesentlich beeinflusst. Um diesen erfolgversprechenden Materialien einen Weg in Anwendungen zu ebnen, sind mehrere Schritte notwendig. Das innere Strukturieren bei der Herstellung magnetischer Elastomere erfolgt bislang vor allem mit Hilfe äußerer Magnetfelder. Wir müssen die dabei ablaufenden Prozesse der Strukturbildung auf der partikulären Ebene verstehen und quantifizieren. Darauf aufbauend untersuchen wir, wie sich die Strukturbildung durch geeignete Prozessführung beeinflussen und steuern lässt. Gleichzeitig ist es notwendig, quantitativ die Verknüpfungen zwischen den erhaltenen partikulären Strukturen und makroskopischem Materialverhalten herauszuarbeiten. Auf dieser Basis lassen sich umgekehrt Strukturen identifizieren, welche die gewünschten makroskopischen Eigenschaften maximieren. Dadurch wird das tatsächliche Potential der Materialien aufgezeigt. Wir überprüfen, ob entsprechende Strukturelemente bereits in realen Proben enthalten sind. Mittel- bis langfristig werden neue Methoden entwickelt, um optimierte Systeme gewünschten Materialverhaltens herzustellen. Damit die faszinierenden Eigenschaften magnetischer Elastomere am Ende für praktische Zwecke aufgegriffen werden, vermitteln wir sie noch stärker einer breiteren Öffentlichkeit. Eine wesentliche Zielgruppe stellen Schüler*innen und Lehrkräfte dar. Wir planen daher einerseits fachdidaktische Untersuchungen, inklusive der Entwicklung und Evaluation entsprechender Lehr-Lern-Materialien für den Schulunterricht. Andererseits führen wir zahlreiche fachdidaktisch begleitete Outreach-Aktivitäten durch. Auf diesem Weg wollen wir die Öffentlichkeit für die aktuelle Forschung und insbesondere Schüler*innen für ein Studium im ingenieur- und naturwissenschaftlichen Bereich begeistern. Zur Bearbeitung des interdisziplinären Projekts kombinieren wir zahlreiche komplementäre Herangehensweisen, zum Beispiel experimentelle Untersuchungen auf unterschiedlichen Längenskalen, dynamische partikelaufgelöste Simulationen, skalenübergreifende Simulationen, Strukturanalysen, unterschiedliche Visualisierungsverfahren, fachdidaktische Untersuchungen und Outreach-Aktivitäten. Breite Expertise und vielfältige erfolgreiche Vorarbeiten in diesen Bereichen haben wir vorzuweisen. Daher ist es uns ein großes Anliegen, die Erforschung und Verbreitung dieser faszinierenden Materialien weiter voranzubringen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Japan

Projekte

• Datenbasierte skalenüberbrückende Simulation strukturierter magnetorheologischer Elastomere (Antragsteller Kästner, Markus )
• Interne Dynamik von Magnetpartikeln während der Herstellung und bei magnetomechanischer Belastung strukturierter magnetischer Elastomere – experimentelle Untersuchungen (Antragsteller Auernhammer, Günter K. )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Menzel, Andreas )
• Magnetisch induzierte Teilchendynamik und partikuläre Strukturbildung in viskosen und viskoelastischen Medien – theoretisch-numerische Untersuchungen (Antragsteller Menzel, Andreas )
• Modellierung der Wirkung von Authentizität und wahrgenommener Komplexität auf das situationale Interesse, das Interesse an naturwissenschaftlichen Tätigkeiten und kognitive Lernergebnisse im Kontext magnetischer Elastomere (Antragstellerin Watzka, Bianca )
• Prozessgesteuerte Herstellung strukturierter magnetischer Elastomerproben, röntgentomografische Strukturaufklärung und makroskopische Magnetorheologie (Antragsteller Odenbach, Stefan )

• Sprecher: Professor Dr. Andreas Menzel