Motivation

Das PP 5 unterstützt die skalenübergreifende Vorhersage des thermo-mechanischen Verhaltens von Faserverbundwerkstoffen sowie der Wechselwirkung der einzelnen Komponenten auf molekularer Ebene durch theoretische Simulationen sowie validierende experimentelle Untersuchungen, um Daten für die Modellierung der Meso- und Makroebene zu generieren. Dies bildet einen wichtigen Baustein in der simulativen Auslegung räumlich verformbarer adaptiver Faser-Elastomer-Verbunde.

Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

Eigene Vorarbeiten in der 1. Kohorte umfassten die theoretische Beschreibung des Wärmetransports von Basis-Polymeren mittels Molekulardynamiksimulationen (MD) (Abb. rechts) sowie deren Validierung durch Messungen. Die Untersuchungen konzentrierten sich u. a. auf Abhängigkeiten des mechanischen Verhaltens von den Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) sowie auf unterschiedliche Vernetzungsarten und ‑grade sowie Zusammensetzungen der untersuchten Polymere. Die erzielten Ergebnisse [1, 2] sind mit Ansätzen aus der Literatur vergleichbar [3, 4] und haben bestehende Modellparameter in der MD signifikant erweitert. Des Weiteren wurden zwei Charakterisierungsmethoden zur Wärmeleitfähig­keitsmessung (Abb. links) etabliert, so dass sowohl flüssige als auch feste Proben (neue Faserverbundstoffe sowie Referenzen) untersucht werden können. Es konnten eindeutige Korrelationen zwischen Wärmeleitfähigkeiten und Vernetzungsgraden sowie variablen Zusammensetzungen der Polymere gefunden werden. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis zur Erforschung der MD von Polymerkombinationen. Der Forschungsbedarf der 2. Kohorte besteht in der Vorhersage des 3D-Wärmeflusses in bislang unbekannten hochgradig heterogenen Polymerfaserverbunden.

© IET/TUD

Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele

Im PP 5 soll die theoretische Ermittlung thermischer Kenngrößen der einzelnen Komponenten (Polymer, Textil, Füllstoffe), der komplexen hochgradig heterogenen Verbundwerkstoffe (3D) unter mechanischer Belastung sowie die Untersuchung der molekularen Wechselwirkung der Polymermatrix mit den verschiedenen Füllstoffen im Mittelpunkt stehen. Dabei werden neben empirischen Methoden auch initio-Verfahren eingesetzt. Unterstützt und somit validiert wird dies durch experimentelle Untersuchungen. Dazu sollen, basierend auf den bestehenden Versuchsständen, durch Kopplung mit vorhandenen Mess- und Analyseapparaturen neue Untersuchungsmethoden entwickelt werden. Experimente an realen Proben der PP dienen der Validierung der theoretischen Ansätze.

Schwerpunkt der Arbeiten der 2. Kohorte ist ein umfassendes Screening verschiedenster Polymere und Kombinationen in Abstimmung mit PP 3, welches weitere Variationen der Polymerart, des Vernetzungstyps und -grades sowie der Zusammensetzungen beinhaltet. Das Screening wird durch KI-Algorithmen unterstützt, so dass unbekannte Stoffeigenschaften aus bereits vorhandenen Datensätzen mittels machine learning abgeleitet und mit Molekulardynamiksimulationen und Experimenten verglichen bzw. bislang unbekannte Kombinationen ermittelt werden können. Damit können auch experimentell nicht zugängliche Regionen für eine Validierung herangezogen werden.

Literatur

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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