Zhao, Wuyang, Dr.-Ing.

Glassy polymers can transition from ductile to brittle under certain conditions such as aging or decreased temperatures, leading to sudden breakage with minimal energy absorption and potential accidents. Enhancing the toughness of glassy polymers without compromising stiffness is a significant scientific challenge, yet the mechanisms behind the brittle-to-ductile transition (BDT) remain not fully understood. In crystalline materials, the BDT is often attributed to the kinetics of dislocations, but this explanation cannot be directly applied to glassy materials due to the absence of well-defined microscopic structures of such plastic carriers like dislocations. Molecular dynamics (MD) simulations have shown that spatial fluctuations of local mechanical properties at the atomistic scale and geometric loading conditions are crucial in the BDT of glassy materials. However, addressing the effects of geometric loading conditions under non-uniform deformations is challenging in pure MD simulations due to computational constraints on system sizes. To overcome this limitation, this project employs a multiscale simulation method by embedding an MD domain into a continuum domain to conduct nonuniform deformation boundaries for the MD system. This approach enables a better understanding of the interactions between plastic carriers and the relationship between local structures and global mechanical properties in glassy polymers.

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.

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.