Nichtlineare Thermo-Elektro-Mechanik elektroaktiver Polymere

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Paul Steinmann
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246833458

Durch die stetig steigenden Anforderungen an die Funktionalität von Werkstoffen bei gleichzeitig möglichst geringen Kosten sind Intelligente Materialien in den vergangenen zwei Jahrzehnten immer mehr in den Fokus der Forschung gerückt. Ein prominenter Vertreter dieser Materialklasse sind elektroaktiven Polymere, die ihre Form und mechanischen Eigenschaften aufgrund einer Stimulation durch ein elektrisches Feld ändern können.Da es sowohl wegen der hohen elektrischen Spannungen für die Erzeugung des elektrischen Felds, als auch durch weitere externe Einflüsse im Betrieb zu deutlichen Temperaturschwankungen kommen kann, müssen thermische Einflüsse bei der Materialsimulation berücksichtigt werden. In der ersten Phase dieses Projekts wurden deshalb die Grundlagen dieses gekoppelten thermo-elektro-mechanischen Problems erarbeitet und mittels analytischer sowie numerischer Lösungsstrategien betrachtet. In der zweiten Phase dieses Projekts sollen zunächst experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen (ratenabhängigen) elektro-aktiven Materialien durchgeführt werden. Hierzu wird der Testaufbau erweitert, der bereits am Lehrstuhl für Technische Mechanik der Universität Erlangen-Nürnberg vorhanden ist. Die gewonnenen Ergebnisse sollen dafür genutzt werden, den theoretischen Rahmen, der in der ersten Phase des Projekts erarbeitet wurde, mit realen Daten zu validieren. Die Untersuchungen werden an zwei unterschiedlichen Materialien durchgeführt. Zum einen wird das industriell hergestellte Material VHB4910 und zum anderen ein mit piezoaktiven Partikel gefülltes Silikon, das vom Lehrstuhl für Polymere der Universität Erlangen-Nürnberg für diese Versuche her- und bereitgestellt wird, getestet. Anschließend sollen mit Hilfe der validierten numerischen Implementierung die Auswirkungen einer Reihe interner und externer Effekte auf das Material betrachtet werden. Unter anderem soll untersucht werden, wie sich die Umgebung des jeweiligen Probenkörpers bei der numerischen Simulation auswirkt. Zudem soll genauer auf die Mikrostruktur des Materials eingegangen werden. Hierbei wird das Material auf zwei unterschiedlichen Ebenen betrachtet. Zum einen auf der Mikroebene, auf der der exakte mikroskopische Aufbau abgebildet wird. Zum anderen auf der Makroebene, auf der der Werkstoff als homogen angenommen wird. Durch die Verknüpfung der beiden Ebenen soll das Materialverhalten noch realistischer beschrieben werden. Dies ist vor allem für Materialien wichtig, deren innerer Aufbau nicht mehr als homogen angesehen werden kann, wie es zum Beispiel bei dem zuvor experimentell untersuchten partikelgefüllten Silikon der Fall ist. Abschließende soll eine neuartige Formulierung für die treibenden Kräfte gefunden werden, die an Defekten innerhalb des Materials entstehen können. In Bezug auf die genutzten Materialien können hier die piezoaktiven Partikel, mit denen das getestete Silikon gefüllt ist, als Defekte gesehen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen