Simulation der Morphologieausbildung von offenporigen Materialien

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2009 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 81589419

Offenporige Materialien sind in der Verfahrenstechnik weit verbreitet. So werden für katalytische und adsorptive Prozesse hohe innere Oberflächen mit entsprechender Zugänglichkeit benötigt, oder die Porenstruktur dient der selektiven Trennung aufgrund sterischer Effekte oder aufgrund von Oberflächenkräften. Ein bekanntes Beispiel sind Hohlfasermembranen für künstliche Nieren.Für die Herstellung poröser Strukturen existiert eine Vielzahl von Techniken. Die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für offenporige Materialien beruht allerdings fast ausschließlich auf experimentellen Erfahrungswerten und empirischen Korrelationen. Eine modellbasierte Unterstützung des Herstellprozesses durch Vorhersage der Struktureigenschaften des Materials wäre wünschenswert, jedoch erweisen sich derartige Simulationen als anspruchsvoll. Die Morphologiebildung ist gekennzeichnet durch große Materialverformung, hohen Dichteunterschied zwischen Poren und Festkörpermatrix, Frakturen von dünnen Stegen zwischen Hohlräumen, der Bildung von freien Oberflächen und der Entstehung von komplexen Geometrien.Während gitterbasierte Simulationsmethoden auf vielen Gebieten mit Erfolg eingesetzt werden, ist ihre Anwendung auf die Herstellung von porösen Strukturen nur sehr eingeschränkt möglich. Dies liegt an der komplexen Geometrie und der Bildung von freien Oberflächen, welche sehr rechenintensiv ist. Daher schlagen wir den Einsatz von gitterfreien Methoden („Partikelsimulationen“) vor, um eine Simulationsumgebung für die quantitative Beschreibung der Strukturausbildung von offenporigen Materialen zu entwickeln. Unsere Voruntersuchungen mit der Discrete-Element-Methode (DEM) zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit von Partikelsimulationen, allerdings können die verwendeten Partikelinteraktionsmodelle nicht in kanonischer Form aus der Kontinuumsmechanik hergeleitet werden. Diesen Nachteil weisen Methoden wie „Smoothed Particle Hydrodynamics“ (SPH) und „Moving Particle Semi-implicit“ (MPS) nicht auf und sollen daher die Grundlage für unser Projekt bilden. Vorarbeiten mit der MPS-Methode sind viel versprechend. Das Projekt gliedert sich in zwei Antragsperioden. In der ersten Periode (2 Jahre) werden die notwendigen Modellbausteine zur Simulation der Strukturausbildung anhand von zwei Beispielen entwickelt. Das erste Beispiel behandelt die Porenstrukturgenerierung in einer viskoplastischen Polymermatrix mit Hilfe eines Treibmittels/Porenbildners. Dazu liegen am Institut bereits experimentelle Erfahrungen vor. Im zweiten Testfall soll die Mehrphasenströmung in der Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle simuliert werden. Auch hier existiert ein Bezug zu laufenden experimentellen Arbeiten. Sobald die für die Porenbildung relevanten physikalischen und chemischen Prozesse implementiert und getestet sind, kann die Simulationsmethode auf Herstellungsverfahren für poröse Membranen, Fasern und nano-poröse Materialien angewendet werden. Zusammen mit einer Erweiterung und eventuellen Parallelisierung des Codes, soll dies die Aufgaben für die zweite Antragsperiodedarstellen.

• DFG Programme: Research Grants