Modellierung, Parameteridentifikation und Simulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Paul Steinmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27010688

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Verlauf des Projektes ist es gelungen, verschiedene experimentelle Methoden zu ertüchtigen und neu zu entwickeln, die eine ortsaufgelöste Bestimmung mechanischer und chemisch-struktureller Eigenschaften in Polymer-Metall-Klebverbunden gestatten. Mit Hilfe der Mikrodeformationsversuche im REM konnte für einen neu formulierten Modell-Epoxidklebstoff gezeigt werden, daß das Polymer sich in Substratnähe signifikant nachgiebiger als im Bulk verhält. Dieses hochauflösende Meßverfahren qualifiziert sich damit als wertvolles Werkzeug zur mechanischen Charakterisierung von Interphasen. Auch das Verfahren der Nanoindentation konnte zur Bestimmung ortsabhängiger Materialeigenschaften im Klebverbund geeignet modifiziert und eingesetzt werden. Hier ist zu betonen, daß insbesondere die gute Handhabbarkeit dieser Messmethode sowie ihre Eigenschaft, elastische und inelastische Materialcharakteristika simultan zu erfassen, von großem Vorteil sind. Im Verbund mit spektroskopischen Methoden wie ToF-SIMS, die erfolgreich zur ortsaufgelösten Messung chemisch-struktureller Polymerparameter wie Härterkonzentration und Vernetzungsgrad ertüchtigt werden konnte, sowie der Raman-Spektroskopie stehen damit verschiedene neue Möglichkeiten zur Verfügung, das Phänomen der Interphasen in mit metallischen Substraten im Kontakt befindlichen Polymeren umfassend zu analysieren. Mit Hilfe kontinuumsmechanischer Modellierung und Simulation konnten die Einflüsse, die Profile unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften auf das Verhalten von Klebverbunden haben, umfassend analysiert und mit den experimentellen Beobachtungen qualitativ abgeglichen werden. Es hat sich gezeigt, daß für das im REM beobachtete Schubdeformationsverhalten vermutlich hauptsächlich räumliche Gradienten in den plastischen Eigenschaften verantwortlich sind und nicht, wie bisher häufig vermutet, elastische Gradienten. Im Zusammenhang mit den an gezielt strukturell modifizierten Bulkepoxiden experimentell ermittelten mechanischen Eigenschaften erlaubt dieses Ergebnis die (noch abschließend zu verfizierende und zu quantifizierende) These, daß in Substratnähe tatsächlich die lokale Entmischung der Polymerkomponenten zu inhomogenen Netzwerkstrukturen und damit einem ortsabhängigen mechanischen Verhalten führt. Der Verdacht, daß bisher beobachtete Eigenschaftsgradienten in Substratnähe lediglich eine Folge von aus dem Aushärteschrumpf resultierenden Eigenspannungszuständen sind, konnte durch entsprechende Modellierungs- und Simulationsansätze relativiert werden. Der Einfluß derartiger Effekte ist allein nicht hinreichend, um das beobachtete, signifikant inhomogene Verhalten zu erklären. Es ist umgekehrt derzeit allerdings auch nicht abschließend möglich, die Anteile, die elastische und inelastische Eigenschaftsprofile bzw. Eigenspannungszustände an den beobachteten Phänomenen haben, genau zu quantifizieren bzw. ihre Überlagerung auszuschließen. Die Klärung dieser Fragen erfordert eine Reihe weiterer, experimenteller und analytischer Arbeiten, die insbesondere die Entstehung des Epoxidnetzwerkes stärker als bisher berücksichtigen. Denkbar sind hier u.a. die Bestimmung des tatsächlich wirksamen Aushärteschrumpfes sowie der ortsabhängigen Umsatzgrade. Seitens der Mikrodeformationsversuche im REM werden die Auflösung, die Reproduzierbarkeit sowie die quantitative Auswertung mit dem Ziel einer inversen Parameteridentifikation für geeignete Konstitutivgesetze zu verfeinern sein. Auch die Frage der Anisotropie in der substratnahen Interphase wird durch geeignete Mikrodeformationsversuche im REM zu behandeln sein. Eine höchst interessante Frage stellt nach wie vor die Verknüpfung von kontinuumsmechanischen Modellen und ihren Parametern mit den Ergebnissen der chemisch-strukturellen Charakterisierung dar. Hier sollten und werden die weiterführenden Arbeiten der Projektpartner ansetzen, um das Ziel einer geschlossenen Beschreibung des Phänomens der Polymer-Metall-Interphase zu erreichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Charakterisierung von Klebverbunden mittels der Sekund¨rionen-Flugzeitmassenspektrometrie (ToF-SIMS). 15. Arbeitstagung ’Angewandte Oberflächenanalytik’ (AOFA). Soest, Germany, 08...10- 09-2008
  S. Passlack, A. Brodyanski, R. Schiller, M. Kopnarski, M. Presser, P.L. Geiß, G. Possart, P. Steinmann
  
• Investigation of the epoxy-metal-interphase by micro-extensometry. 10th International Conference on the Science and Technology of Adhesion and Adhesives. Oxford, England, 03...05-09-2008
  A. Brodyanski, P.L. Geiß, M. Kopnarski, S. Passlack, G. Possart, M. Presser, P. Steinmann
  
• Investigation of the epoxy-metal-interphase by micro-extensometry. Proceedings of the 10th International Conference on the Science and Technology of Adhesion and Adhesives. Oxford, England, 2008
  A. Brodyanski, P.L. Geiss, M. Kopnarski, S. Passlack, G. Possart, M. Presser, P. Steinmann
  
• Localized mechanical adhesive polymer characterisation by nanoindentation. 31st Annual Meeting of The Adhesion Society. Austin, Texas, USA, 18-02-2008
  A. Brodyanski, P.L. Geiß, M. Kopnarski, S. Passlack, M. Presser, D. Vogt
  
• Localized mechanical adhesive polymer characterisation by nanoindentation. Proceedings of the 31st Annual Meeting of the Adhesion Society. Austin, Texas, USA, 2008
  A. Brodyanski, P.L. Geiss, M. Kopnarski, S. Passlack, M. Presser, D. Vogt
  
• On modelling and simulation of the curing of thermosets and elastomers. Euromech Colloquium 502. Dresden, Germany, 08...10-09-2008
  G. Possart, M. Hossain, P. Steinmann
  
• On the characterisation and modelling of epoxy-based polymer-metal interphases. 79th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM). Bremen, Deutschland, 03-04-2008
  G. Possart, P. Steinmann, M. Presser, P.L. Geiß, S. Passlack, A. Brodyanski, M. Kopnarski
  
• Chemical and structural characterisation of DGEBA-based epoxies by Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) as a preliminary to polymer interphase characterisation. Analytical and Bioanalytical Chemistry 393:1879-1888, 2009
  S. Passlack, A. Brodyanski, W. Bock, M. Kopnarski, M. Presser, P.L. Geiss, G. Possart, P. Steinmann
  
• Investigation of polymer-metal-interphases by microextensometry. 32nd Annual Meeting of The Adhesion Society. Savannah, Georgia, USA, 15...18-02-2009
  M. Presser, A. Brodyanski, P.L. Geiss, M. Kopnarski, S. Passlack, G. Possart, P. Steinmann
  
• Investigation of polymer-metal-interphases by microextensometry. Proceedings of the 32nd Annual Meeting of the Adhesion Society. Savannah, Georgia, USA, 2009
  M. Presser, A. Brodyanski, P.L. Geiss, M. Kopnarski, S. Passlack, G. Possart, P. Steinmann
  
• Micro-macro characterisation of DGEBA-based epoxies as a preliminary to polymer interphase modelling. International Journal of Adhesion & Adhesives 29:478-487, 2009
  G. Possart, M. Presser, S. Passlack, P.L. Geiß, M. Kopnarski, A. Brodyanski, P. Steinmann
  
• Modellierung und Simulation der Aushärtung polymerer Klebstoffe. Universität der Bundeswehr München, Institut für Mechanik. Neubiberg, Germany, 25-03-2009
  G. Possart, M. Hossain, P. Steinmann