Multiphysically coupled modelling of polymer-based materials
Creators: name: Wilmers, Jana
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2017
Subjects: classificationCode: 600
subject: Technik

description: In dieser Arbeit werden die multiphysikalisch gekopplete Modellierung und numerische Simulation von Massentransportphänomenen in Polymer-Materialien untersucht. In diesen Materialien tritt gekoppeltes Verhalten aufgrund von molekularen Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten und den transportierten Partikeln oder Fluiden auf. Aufgrund dieser Wechselwirkungen geht Massentransport in Polymeren häufig mit großen Deformationen und signifikanten Änderungen des mechanischen Verhaltens einher, die wiederum zur Bildung von Rissen und zum Materialversagen führen können. Andererseits ist es möglich dieses gekoppelte Verhalten bewusst auszunutzen, zum Beispiel in der Mikrostrukturierung oder in so genannten Intelligenten Werkstoffen. Daher ist es wichtig, ein tiefes Verständnis der grundlegenden Prozesse zu erlangen. In der vorliegenden Arbeit wird ein kontinuumsmechanisches Modell für multiphysikalisch gekoppelten Massentransport entwickelt. Die grundlegenden Gleichungen, die das erhalten von zwei ausgesuchten Beispielfällen, nämlich Case II-Diffusion und elektroaktiven Polymeren, beschreiben, werden dabei aus physikalischen Bilanzen abgeleitet und mit geeigneten Konstitutivgleichungen ergänzt. Zur Beschreibung der anormalen Case II-Diffusion wird ein neuartiges Diffusionsgesetz hergeleitet, das die verzögerte Transportkinetik, die aus den molekularen Wechselwirkungen resultiert, berücksichtigt und es so ermöglicht, das charakteristische Verhalten der Case II diffusion zu beschreiben. Um die Prozesse, die in Kompositen von nanoporösen Metallen mit elektroaktiven Polymeren ablaufen, abzubilden, wird die Grenzflächenelastizitätstheorie auf chemoelektromechanische Kopplung erweitert. So wird ein grundlegendes Modell entwickelt, das es erlaubt, Deformation, Elektrostatik, Ladungsträgertransport und ihre Interaktionen sowohl im Volumen als auch auf der Metall/Polymer-Grenzfläche zu beschreiben. Diese Modelle werden weiterhin in einen Finite Elemente-Code implementiert, mit dem numerische Studien durchgeführt werden, um die Möglichkeiten der entwickelten Modelle zu untersuchen und Einsichten in die gekoppelte Natur der untersuchten Phänomene zu erlangen.
description: The multiphysically coupled modelling and numerical simulation of mass transport in polymeric materials is investigated. Coupled behaviour arises in these materials due to molecular interactions of the polymer chains with the transported particles or fluids. Due to these interactions, mass transport in polymers is often associated with large deformations and significant changes of the mechanical behaviour that, in turn, may lead to cracking and failure. On the other hand, this behaviour can be utilised deliberately, for example for microstructuring or in smart materials. Thus, a detailed understanding of the processes involved is necessary. In this thesis, a model for multiphysically coupled mass transport in the framework of nonlinear continuum mechanics is developed. The governing equations describing two different example cases, namely, anomalous Case II diffusion and electroactive polymers, are derived from fundamental balance principles and equipped with suitable constitutive equations. For the description of Case II diffusion, a novel relation for the diffusion flux is developed that accounts for the delayed kinetics resulting from the molecular interactions and, thus, allows to describe the characteristic transport behaviour during Case II diffusion. To accurately model the processes occurring in composites of nanoporous metals filled with different types of electroactive polymers, the interface elasticity theory is extended to chemoelectromechanical coupling, yielding a framework that allows to describe deformation, electrostatics and charge carrier transport and their interactions in the bulk material and on the metal/polymer interface. These models are subsequently implemented into a finite element code and numerical studies are carried out to elucidate the models’ capabilities and provide insight into the coupled nature of the investigated phenomena.