Identifikation von Interphaseneigenschaften in Nanokompositen

Abstract

Polymer-Nanokomposite (PNC) enthalten Füllstoffpartikel im Nanometerbereich, deren Größe vergleichbar ist mit den typischen Abmessungen der Polymerketten. Vor allem bei kleinen Füllstoffgehalten ist die Polymer-Partikel-Interaktion in der sog. Interphase von großer Bedeutung für das Materialverhalten. Da die Bestimmung der lokalen Interphaseneigenschaften experimentell kaum möglich ist, entwickelte das vorliegende Projekt eine numerische Methodik zur kontinuumsmechanischen Beschreibung basierend nur auf den atomaren Wechselwirkungen, und ermöglicht damit die Beantwortung ingenieurrelevanter Fragen. Der Ansatz wurde konsequent hergeleitet, validiert und seine Leistungsfähigkeit im Abgleich mit verfügbaren experimentellen Befunden demonstriert. Im Projekt wurde zudem ein numerisch effizientes, für mechanische Untersuchungen sehr gut geeignetes generisches Thermoplast-Modell in molekularer Auflösung umfassend ertüchtigt und validiert, das eine große Bandbreite an Polymeren erfassen kann. Aus dem Projekt und seinem Umfeld heraus entstanden 20 Manuskripte der Kategorie A und 21 Veröffentlichungen der Kategorie B inklusive Datenveröffentlichungen. Die zusammengefassten Projektergebnisse wurden in zwei Beiträgen in den hervorragend ausgewiesenen Fachzeitschriften Composites A und Composites B veröffentlicht. Polymer nanocomposites (PNC) contain filler particles in the range of nanometers with their size comparable to the typical dimensions of the polymer chains. Particularly for low filler contents, the particle-polymer interaction in the so-called interphase is of great importance for the material behaviour. Since it is experimentally barely possible to obtain local interphase properties, the present project developed a numerical methodology for a continuum mechanical description based only on the atomic interactions. By this, it enables to answer questions relevant for engineering. This approach has been consequently derived, validated and compared to available experimental results in order to demonstrate its capabilities. In addition, the project enhanced and validated a numerically efficient generic thermoplastic model at molecular resolution in a sophisticated manner, which is able to cover a wide range of polymers. Eventually, 20 manuscripts of category A resulted from the project and its environment as well as 21 publications of category B including data publications. The summarised project results have been published in two contributions in the outstanding scientific journals Composites A and Composites B.