Multi-scale constitutive modelling of nanoparticle/epoxy nanocomposites : molecular simulation-based methods and experimental validation

Abstract

Neuartige Materialsysteme wie Nanokomposite, hergestellt durch die Zugabe von nanoskaligen Additiven zu herkömmlichen Duroplasten, sind im Bereich der Leichtbautechnik von großem Interesse aufgrund ihrer bemerkenswerten thermo-chemisch-mechanischen Eigenschaften. Umfassende Kenntnisse der Materialeigenschaften sind ein Schlüsselfaktor für ihre erfolgreiche Anwendung. Nur wenn die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen verstanden werden, ist eine zuverlässige Beschreibung des Materialverhaltens möglich. Die vorliegende Arbeit trägt zu dieser Herausforderung bei, indem Methoden auf Basis molekularer Simulationen vorgestellt werden, welche das Potenzial besitzen, das Materialverhalten vorherzusagen und Einblicke in Phänomene auf der Nanoskala zu gewähren. Zunächst wird eine, im Hinblick auf Genauigkeit und Effizienz entwickelte, Methodik für molekulare Simulationen des Aushärtungsprozesses eines Epoxidharzes vorgestellt. Zum ersten Mal wird nicht nur die endgültige Netzwerktopologie analysiert, sondern auch die Evolution reaktiver Gruppen während der Aushärtung vorhergesagt, beides in guter Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen aus Nahinfrarotspektroskopie-Messungen. Die entwickelte Simulationsroutine ermöglicht tiefere Einblicke in den Aushärtungsmechanismus von Epoxidharzsystemen und die Bereitstellung zuverlässiger Eingangsdaten für die Analyse ausgehärteter Epoxidharzsysteme anhand von molekularen Simulationen. Anschließend wird das temperaturabhängige nichtlineare viskoelastische Materialverhalten des Epoxidsystems untersucht, indem ein Vergleich und eine Bewertung von drei viskoelastischen Theorien (Eyring, Argon und Cooperative Model) durchgeführt wird. Die besondere Innovation dieser Studie besteht darin, einen simulationsbasierten Ansatz für die Identifizierung viskoelastischer Eigenschaften zu präsentieren. Die dargestellte Methodik ermöglicht die Überbrückung der von Natur aus unterschiedlichen Zeitskalen der Molekulardynamik (Femtosekunden bis Nanosekunden) und der Experimente (Sekunden bis Stunden). Die Studie zeigt, dass molekulare Simulationen leistungsfähige Werkzeuge zur Charakterisierung physikalischer Phänomene auf der molekularen Ebene sind und somit umfangreiche experimentelle Tests zur Beschreibung des viskoelastischen Materialverhaltens von Polymeren ersetzen können. Schließlich wird ein Multiskalen-Konstitutivgesetz für das viskoelastische Schädigungsverhalten von Nanopartikel/Epoxid-Nanokompositen hinsichtlich des Einflusses der Temperatur, für Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur, erweitert. Die allgemeinen Vorhersagefähigkeiten des konstitutiven Modells werden untersucht und zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen. Darüber hinaus wird ein Multiskalen-Rahmenkonzept vorgeschlagen, das auf molekularen Simulationen basierende Methoden umfasst, um umfangreiche experimentelle Tests zu ersetzen, die für die Parameteridentifizierung erforderlich sind. Eine experimentelle Validierung unterstreicht, dass die Anzahl der für die Identifizierung von Materialparametern erforderlichen experimentellen Tests erheblich reduziert werden kann, ohne dass es zu einem signifikanten Verlust an Genauigkeit bei der Vorhersage der Materialantwort kommt. Die vorliegende Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des thermoviskoelastischen Verhaltens von Nanopartikel/Epoxid-Nanokompositen bei und liefert Ansätze für die damit verbundenen Herausforderungen bei der Modellierung dieser Materialien. Die entwickelten Methoden dienen der Charakterisierung von Materialeigenschaften im Hinblick auf physikalisch basierte Konstitutivgesetze und Multiskalenansätze mit dem Ziel, die Anzahl der erforderlichen experimentellen Tests deutlich zu reduzieren. Die entwickelten Methoden und das dargestellte Konstitutivgesetz sind prinzipiell nicht auf das untersuchte Epoxidsystem beschränkt und können leicht hinsichtlich weiterer Materialeigenschaften erweitert werden, für welche ein Ausblick gegeben wird.