Multiskalenmodelle für Nanoverbundwerkstoffe
Herkömmliche Polymere werden in vielen Branchen derzeit durch nanogefüllte Polymermatrix-Verbundwerkstoffe ersetzt, da diese eine speziell anpassbare Funktionalität bieten. Ein Konsortium aus russischen und europäischen Forschungsgruppen entwickelte Simulationssoftware, um die Entwicklung mit EU-Finanzierung des Projekts COMPNANOCOMP (Multiscale computational approach to the design of polymer-matrix nanocomposites) zu beschleunigen. Die Wissenschaftler entwickelten und validierten die Methodik und Software in zwei Hauptkategorien von Systemen – weichen, mit Kieselerde gefüllten natürlichen und synthetischen Kautschuks (thermoplastische Elastomere) und mit Kohlenstoffnanoröhren (CNT) gefüllte duroplastische Harze. Um die Auswirkungen der Verstärkung von Polymermatrix-Nanoverbundwerkstoffen durch Füllpartikel genauer zu verstehen, integrierte das Team drei miteinander verbundene Repräsentationsebenen mit einem besonderen Schwerpunkt auf mit Kieselerde gefüllte Naturkautschuks für "umweltfreundliche Reifen". Die erste Ebene war eine detaillierte atomistische Repräsentation von sowohl Polymerketten als auch von Nanopartikeln. Ihr Verhalten wurde anhand der Molekulardynamik verfolgt. Mit der mittleren Skala wurden die Polymere als locker verbundene Ketten und die Nanopartikel als einzelne Kugeln mithilfe der von der Feldtheorie inspirierten Monte-Carlo-Simulation modelliert. Die oberste Ebene stellte das Polymer hinsichtlich der Kettenenden, Quervernetzungen, Verstrickungen, Adsorption und Verbindungsstellen mithilfe grobkörniger Brownscher Dynamik zusammen mit kinetischer Monte-Carlo-Simulationen dar. Die Forscher entwickelten auch ein Verfahren, um die Geschwindigkeit von Adsorption und Desorption der durch Verknüpfungen und Verstrickungen verbundenen Ketten aus einer Polymerschmelze auf einem festen Substrat einzuschätzen, um diese Informationen in der Repräsentation der obersten Ebene zu verwenden. Mit einem weiteren Ansatz wurden die elastischen und dissipativen Eigenschaften der verstärkten Elastomere modelliert. Vergleiche der experimentellen Daten zeigten eine sehr hohe qualitative Übereinstimmung. Eine Multiskalen-Strategie – welche Systeme für On-the-fly-Mapping und umgekehrtes Mapping enthielt, während das Verfahren zur Erstellung der Netzwerks auf reaktiver dissipativer Partikeldynamik und der vollatomistischen Molekulardynamik basierte – wurde angewendet, um die stark verwobenen Epoxidharze zu simulieren, die sowohl mit ein- als auch mit mehrwandigen CNT befüllt waren. Diese Simulationen beleuchteten wichtige Eigenschaften der CNT-Epoxysysteme und deren Beziehungen zu Verarbeitungsparametern. Mit Simulationsarbeit, die durch experimentelle Optimierung gestützt wurde, stellten die Forscher nanogefüllte Matrizen her, die CNT für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und Kieselerde für Windenergieanwendungen verwenden. Sie steigerten die Leistung der kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe. Die COMPNANOCOMP-Multiskalenmodelle von nanogefüllten thermoplastischen und duroplastischen Polymeren versprechen, die Entwicklung der hochleistungsfähigen maßgeschneiderten Nanoverbundwerkstoffe für viele Branchen zu beschleunigen, darunter der Verkehrs- und der Energiesektor. Schulungsworkshops und Forschungsaustauschprogramme sollen organisiert werden, um Studenten und Wissenschaftlern Wissen über die Software zu vermitteln und die Projektauswirkungen zu maximieren.
Schlüsselbegriffe
Multiskalen, Nanoverbundwerkstoff, Polymer, Simulation, Nanofüllstoff, Elastomer, CNT
