Ries, Maximilian, Dr.-Ing.
Dr.-Ing. Maximilian Ries
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Teilprojekt P6 - Fracture in Thermoplastics: Discrete-to-Continuum
(Drittmittelfinanzierte Gruppenförderung – Teilprojekt)
Titel des Gesamtprojektes: Skalenübergreifende Bruchvorgänge: Integration von Mechanik, Materialwissenschaften, Mathematik, Chemie und Physik (FRASCAL)
Laufzeit: 2. Januar 2019 - 31. Dezember 2027
Mittelgeber: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
URL: https://www.frascal.research.fau.eu/home/research/p-6-fracture-in-thermoplastics-discrete-to-continuum/Nanocomposites have great potential for various applications since their properties may be tailored to particular needs. One of the most challenging fields of research is the investigation of mechanisms in nanocomposites which improve for instance the fracture toughness even at very low filler contents. Several failure processes may occur like crack pinning, bi-furcation, deflections, and separations. Since the nanofiller size is comparable to the typical dimensions of the monomers of the polymer chains, processes at the level of atoms and molecules have to be considered to model the material behaviour properly. In contrast, a pure particle-based description becomes computationally prohibitive for system sizes relevant in engineering. To overcome this, only e.g. the crack tip shall be resolved to the level of atoms or superatoms in a coarse-graining (CG) approach.
Thus, this project aims to extend the recently developed multiscale Capriccio method to adaptive particle-based regions moving within the continuum. With such a tool at hand, only the vicinity of a crack tip propagating through the material has to be described at CG resolution, whereas the remaining parts may be treated continuously with significantly less computational effort.
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Identifikation von Interphaseneigenschaften in Nanokompositen
(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)
Laufzeit: 15. Oktober 2018 - 31. Januar 2024
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Kunststoffe spielen in Ingenieuranwendungen eine wichtige Rolle, wobei sieneue Möglichkeiten zur gezielten Einstellung von Materialeigenschaften bieten.Sie bestehen aus langkettigen Polymeren und bieten, zusammen mit z.B.Füllstoffen, ein enormes Potential für maßgeschneiderte Eigenschaften.
Moderne Verfahren erlauben es, Füllstoffpartikel mit typischen Abmessungenvon einigen Nanometern herzustellen und in Polymeren zu dispergieren. Selbst beigeringem Volumenanteil können diese sog. Nanofüllstoffe - vermutlich durch dassehr große Verhältnis von Oberfläche zu Volumen - starken Einfluss auf dieEigenschaften der Kunststoffe haben. Der die Füllstoffpartikel umschließendenPolymer-Partikel-Interphase kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu: wieVersuche zeigen, können bestimmte Nanofüllstoffe z.B. die Ermüdungslebensdauervon Kunststoffen um den Faktor 15 steigern.
Für eine effektive Auslegung solcher Nanokomposite sind häufig aufwändigemechanische Prüfungen erforderlich, die durch Simulationen ergänzt oder ersetztwerden könnten. Die üblicherweise Ingenieuranwendungen zugrunde liegendeKontinuumsmechanik zusammen mit der Finiten Elemente (FE) Methode ist hierfüraber kaum geeignet, da sie die Vorgänge auf molekularer Ebene nicht erfassenkann. Dazu ist z.B. die Molekulardynamik (MD) als teilchenbasiertes Verfahrenin der Lage, die aber dafür nur äußerst kleine Systemgrößen undSimulationszeiten erlaubt. Erst die Kopplung beider Ansätze ermöglicht dieSimulation realitätsnaher, sog. repräsentativer Volumenelemente (RVE) unterEinbeziehung atomistischer Effekte.
Ziel des über 4 Jahre laufenden Vorhabens ist die Entwicklung einerMethodik, mit der das Materialverhalten der Polymer-Partikel-Interphase inNanokompositen kontinuumsmechanisch beschrieben kann, wobei die dafürerforderlichen Konstitutivgesetze aus teilchenbasierten Simulationen gewonnenwerden. Da die Interphasen aufgrund ihrer sehr geringen Ausdehnung von einigennm direkten experimentellen Untersuchungen nicht zugänglich sind, übernimmteine teilchenbasierte Simulation die Rolle eines Experiments am realen Bauteil.Als Werkzeug steht die kürzlich entwickelte Capriccio-Methode zurMD-FE-Kopplung amorpher Systeme zur Verfügung, die im Vorhaben verwendet undentsprechend angepasst werden soll.
Mit der zu entwickelnden Methodik sollen mechanische Eigenschaften derPolymer-Partikel-Interphase mittels inverser Paramateridentifizierungen auskleinen Systemen mit einem und zwei Nanopartikeln ermittelt und auf große RVEübertragen werden. Verschiedene Eigenschaften wie beispielsweise diePartikelgröße und -form oder abweichende Oberflächenfunktionalisierungen sollensich durch Anwendung der Methodik aus rein teilchenbasierten Betrachtungen inkontinuumsbasierte Beschreibungen abbilden lassen. Die Behandlung auf der Ebenevon RVE eröffnet dann weitere Möglichkeiten, die Materialbeschreibung auf eineingenieurrelevante Ebene zu übertragen und für die Simulation von Bauteilen zunutzen.
2024
Revealing the percolation–agglomeration transition in polymer nanocomposites via MD-informed continuum RVEs with elastoplastic interphases
In: Composites Part B-Engineering 281 (2024), Art.Nr.: 111477
ISSN: 1359-8368
DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111477
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Impact of the unimodal molar mass distribution on the mechanical behavior of polymer nanocomposites below the glass transition temperature: A generic, coarse-grained molecular dynamics study
In: European Journal of Mechanics A-Solids 107 (2024), Art.Nr.: 105379
ISSN: 0997-7538
DOI: 10.1016/j.euromechsol.2024.105379
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Evaluating the impact of filler size and filler content on the stiffness, strength, and toughness of polymer nanocomposites using coarse-grained molecular dynamics
In: Engineering Fracture Mechanics 307 (2024), Art.Nr.: 110270
ISSN: 0013-7944
DOI: 10.1016/j.engfracmech.2024.110270
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2023
Studying the mechanical behavior of a generic thermoplastic by means of a fast coarse-grained molecular dynamics model
In: Polymers and Polymer Composites 31 (2023)
ISSN: 1478-2391
DOI: 10.1177/09673911231208590
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Characterization and modeling of polymer nanocomposites across the scales - A comprehensive approach covering the mechanical behavior of matrix, filler, and interphase (Dissertation, 2023)
DOI: 10.25593/opus4-fau-23638
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Characterization of the material behavior and identification of effective elastic moduli based on molecular dynamics simulations of coarse-grained silica
In: Mathematics and Mechanics of Solids 28 (2023)
ISSN: 1081-2865
DOI: 10.1177/10812865221108099
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Extending a generic and fast coarse-grained molecular dynamics model to examine the mechanical behavior of grafted polymer nanocomposites
In: Forces in Mechanics 12 (2023), Art.Nr.: 100207
ISSN: 2666-3597
DOI: 10.1016/j.finmec.2023.100207
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Investigation of the influence of nano-sized particles on the entanglement distribution of a generic polymer nanocomposite using molecular dynamics
In: Mathematics and Mechanics of Solids 29 (2023), S. 596-611
ISSN: 1081-2865
DOI: 10.1177/10812865231206547
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On equilibrating non-periodic molecular dynamics samples for coupled particle-continuum simulations of amorphous polymers
In: Forces in Mechanics 10 (2023), Art.Nr.: 100159
ISSN: 2666-3597
DOI: 10.1016/j.finmec.2022.100159
URL: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:29-opus4-200639
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2022
Accelerating molecular dynamics simulations by a hybrid molecular dynamics-continuum mechanical approach
In: Soft Materials (2022)
ISSN: 1539-445X
DOI: 10.1080/1539445X.2022.2061513
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Addressing Surface Effects at the Particle-Continuum Interface in a Molecular Dynamics and Finite Elements Coupled Multiscale Simulation Technique
In: Journal of Chemical Theory and Computation 18 (2022), S. 2375--2387
ISSN: 1549-9618
DOI: 10.1021/acs.jctc.1c00940
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Characterization of the material behavior and identification of effective elastic moduli based on molecular dynamics simulations of coarse-grained silica
In: Mathematics and Mechanics of Solids (2022)
ISSN: 1081-2865
DOI: 10.1177/10812865221108099
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Applying a generic and fast coarse-grained molecular dynamics model to extensively study the mechanical behavior of polymer nanocomposites
In: eXPRESS Polymer Letters 16 (2022), S. 1304-1321
ISSN: 1788-618X
DOI: 10.3144/expresspolymlett.2022.94
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A quantitative interphase model for polymer nanocomposites: Verification, validation, and consequences regarding size effects
In: Composites Part A-Applied Science and Manufacturing 161 (2022), Art.Nr.: 107094
ISSN: 1359-835X
DOI: 10.1016/j.compositesa.2022.107094
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2021
Revised Boundary Conditions for FE-MD Multiscale Coupling of Amorphous Polymers
VIII Conference on Mechanical Response of Composites (Online, 22. September 2021 - 24. September 2021)
DOI: 10.23967/composites.2021.014
URL: https://www.scipedia.com/public/Ries_et_al_2021c
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A coupled MD-FE methodology to characterize mechanical interphases in polymeric nanocomposites
In: International Journal of Mechanical Sciences (2021), S. 106564
ISSN: 0020-7403
DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106564
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The Hybrid Capriccio Method: A 1D Study for Further Advancement
14th World Congress on Computational Mechanics (WCCM) (, 11. Januar 2021 - 11. Januar 2021)
In: F. Chinesta, R. Abgrall, O. Allix, M. Kaliske (Hrsg.): Multiscale and Multiphysics Systems, 2021 2021
DOI: 10.23967/wccm-eccomas.2020.335
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Multiscale FE-MD Coupling: Influence of the Chain Length on the Mechanical Behavior of Coarse-Grained Polystyrene
14th World Congress on Computational Mechanics (WCCM) (, 11. Januar 2021 - 15. Januar 2021)
In: F. Chinesta, R. Abgrall, O. Allix and M. Kaliske (Hrsg.): Multiscale and Multiphysics Systems, 2021 2021
DOI: 10.23967/wccm-eccomas.2020.214
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A viscoelastic-viscoplastic constitutive model for glassy polymers informed by molecular dynamics simulations
In: International Journal of Solids and Structures (2021), S. 111071
ISSN: 0020-7683
DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2021.111071
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2020
Characterization of Polystyrene Under Shear Deformation Using Molecular Dynamics
In: Developments and Novel Approaches in Nonlinear Solid Body Mechanics, Springer, Cham, 2020, S. 219-229
ISBN: 9783030504595
DOI: 10.1007/978-3-030-50460-1_14
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2019
Extensive CGMD simulations of atactic PS providing pseudo experimental data to calibrate nonlinear inelastic continuum mechanical constitutive laws
In: Polymers 11 (2019), Art.Nr.: 1824
ISSN: 2073-4360
DOI: 10.3390/polym11111824
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Investigation of the Mechanical Behavior of Polystyrene using Molecular Dynamics
In: Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 19 (2019)
ISSN: 1617-7061
DOI: 10.1002/pamm.201900015
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