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Projekt
Modellierung des stark gekoppelten magneto-mechanischen Verhaltens magnetosensitiver Elastomere
Antragstellerinnen / Antragsteller
Privatdozentin Dr. Marina Grenzer; Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
Fachliche Zuordnung
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Mechanik
Polymermaterialien
Mechanik
Polymermaterialien
Förderung
Förderung von 2014 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257300638
Funktionalisierte Polymere stellen eine neue und interessante Klasse von aktiven Werkstoffen dar. Sie besitzen eine lokal heterogene Materialstruktur und ihr Verhalten weist eine starke Kopplung mechanischer und äußerer Felder auf. Bedingt durch den Einfluss der externen Felder entstehen Wechselwirkungen innerhalb sowie zwischen einzelnen Materialphasen, die zu Veränderungen der Mikrostruktur führen können.Zu der genannten Werkstoffklasse zählen auch die in diesem Projekt betrachteten magnetosensitiven Elastomere (MSE). Sie weisen magnetfeldabhängige mechanische Steifigkeiten sowie magnetisch induzierbare Verformungen und Aktorspannungen auf und kommen daher in zahlreichen Bereichen der Technik, zum Beispiel in Aktoren, Sensoren, Mikrorobotern und -pumpen oder -ventilen, zum Einsatz. Für den Anwender ist dabei insbesondere das effektive Materialverhalten von Bedeutung. Da dieses entscheidend von den Materialeigenschaften der einzelnen Komponenten und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund bestimmt wird, ist zur Auslegung der Materialien ein vertieftes Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen notwendig.MSE bestehen aus mikrometergroßen magnetisierbaren Partikeln, die in eine weiche Elastomermatrix eingebettet sind. Abhängig vom jeweiligen Vernetzungsgrad ermöglichen die elastisch verformbaren Polymerketten eine Umordnung der Partikel innerhalb des Netzwerkes bei hinreichend großen magnetischen Feldern. In der Folge kommt es zu Veränderungen der Mikrostruktur, die das gekoppelte magneto-mechanische Verhalten entscheidend beeinflussen.In diesem Gemeinschaftsprojekt des Leibniz-Instituts für Polymerforschung Dresden e. V. (IPF) und des Instituts für Festkörpermechanik der TU Dresden (IFKM) sollen daher angepasste Modellierungs- und Simulationsverfahren zur Abbildung der veränderlichen hierarchischen Materialstruktur und zur Vorhersage des makroskopischen, stark gekoppelten magneto-mechanischen Verhaltens von MSE entwickelt werden. Die erzielten theoretischen Vorhersagen werden untereinander sowie mit in Literatur verfügbaren Daten verglichen. Die jeweils am IPF und IFKM verfolgten Modellierungsstrategien werden kombiniert um ein vereinheitlichendes, mehrskaliges Hybridmodell zu entwickeln, welches eine präzise und gleichzeitig effiziente Vorhersage des makroskopischen Verhaltens realer MSE Proben erlaubt. Die besondere Herausforderung besteht in der gleichzeitigen Berücksichtigung inhomogener, makroskopischer magnetischer und mechanischer Felder und ihrer Wechselwirkung mit der zu Grunde liegenden, sich verändernden Mikrostruktur. Die Entwicklung eines solchen vereinheitlichenden Ansatzes wird von dem bereits bestehenden wissenschaftlichen Austausch im Rahmen des SPP weiter profitieren. Die abschließende Validierung des mehrskaligen Hybridmodells erfolgt durch den Vergleich der Simulationsergebnisse für reale MSE Proben mit experimentellen Resultaten.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
