Motivation

Zur Vorhersage des thermo-mechanischen Verhaltens von Faser­verbund­werkstoffen mit hoher Heterogenität auf verschiedensten Skalen müssen Experiment und Theorie in geeigneter Weise gekoppelt werden und mit ihrem vorhersagenden Ansatz in den molekularen Bereich vorstoßen.

Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

Das thermische Verhalten polymerbasierter Materia­lien sowie eine Kopplung von Theorie und Experiment sind beschrieben. Polymere wurden theoretisch auf unterschiedlichen Komplexitätsniveaus untersucht, wobei eine skalenübergreifende Beschreibung in Zusammenhang mit deren Verstärkung, Funktionalisierung, Hybridisierung und Gradierung bislang fehlt.

Eigene Vorarbeiten konzentrieren sich auf die theoretische und experimentelle Ermittlung von Wärmetransportgrößen sowie gekoppelte Adsorptionsphänomene, die Simulation von Einzelmolekülen auf ab-initio-Niveau (z. B. Konformations­verhalten) sowie die Stoffdatenmodellierung. Forschungsbedarf besteht in der Charakterisierung, Modellierung und Simulation des instationären thermischen Verhaltens von stark anisotropen Verbundwerkstoffen.

Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele

© IET/TUD

Ziel des TP ist die umfassende Erforschung der Wechselwirkungen auf molekularer und Mikroebene zur Ableitung von Gesetzmäßigkeiten für die mesoskopische Beschreibung gekoppelter instationärer Wärmetransportphänomene von I-FEV unter Belastung mittels eng verzahnter experimenteller und theoretischer Methoden. Das thermische Verhalten der stark inhomogenen Verbundwerkstoffe wird zur Charakterisierung und Modellierung der komplexen Materialeigenschaften auf unterschiedlichen Skalenebenen unter besonderer Berücksichtigung der damit verbundenen Grenzflächenbeanspruchung gezielt untersucht. Der Fokus liegt auf der molekularen und mikroskopischen Modellierung thermischer Effekte der Verbundkomponenten (Elastomer, Aktorik- und Sensorikkomponente und Verstärkungsfaser) und den damit verbundenen thermischen Wechselwirkungen und reibungsinduzierten Erwärmungen (Funktionsfaser-Verstärkungsfaser, Faser-Matrix, Funktionspartikel-Matrix) mittels FEM. Zur Ableitung der Struktur/Eigenschafts-Beziehungen ist beispielsweise die theoretische Beschreibung der spezifischen Konformation der Polymerkette und die sich daraus ergebende sterische Anforderung auf molekularer und Mikroebene und damit die thermische Stabilität auf Meso- und Makroebene in Abhängigkeit von der Zusammensetzung vorgesehen. Dabei sollen neben ab-initio-Berechnungen auch Schwingungsspektren, welche die Dynamik und thermische Stabilität im System charakterisieren, die Beschreibung thermischer Parameter (u. a. Ausdehnungskoeffizient) unterstützen. Des Weiteren sind Aussagen zu Wechselwirkungen der Komponenten über die Charakterisierung polarer und unpolarer Bereiche als Vorhersage für mögliche Materialmodifikationen und das Grenzschichtverhalten vorgesehen. Grundlage dieser komplexen Simulationsrechnungen bilden selbst erstellte und kommerzielle Programme. Die Validierung dieser Simulationen erfolgt durch die experimentelle Ermittlung der funktionalen Zusammenhänge des Wärmetransports, wie die Ermittlung von Wärme­leit­koeffizienten mittels Hitzdrahtverfahren, des thermischen Ausdehnungsverhaltens und des Einflusses der Zusammensetzung der I-FEV auf Molekular- bzw. Mikroebene.

Kontakt

Institut für Energietechnik (IET), Professur für Technische Thermodynamik, Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden

© Lutz Liebert/TUD

Leiterin der Professur

Name

Frau Prof. Dr. rer. nat. habil. Cornelia Breitkopf

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Professur für Thermodynamik

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