Die vorliegende Arbeit liefert einen Ansatz zur gekoppelten Mehrskalenmodellierung von auf Kohlenstoffnanoröhrchen basierenden bottom-up-Strukturen. Zentraler Bestandteil hierfür ist die entwickelte Virtuelle Projektionsmethode. Sie ist in der Lage die Translationsfreiheitsgrade der Atome an Rändern von molekularmechanisch modellierten Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem Knoten mit Translations- und Rotationsfreiheitsgraden zu koppeln. Dieser Knoten kann sowohl Schnittstelle zu kontinuumsmechanischen Modellen sein als auch die Formulierung von Randbedingungen auf Systemebene in molekularmechanischen Modellen stark vereinfachen bzw. neue ermöglichen. Eine zentrale Herausforderung in der Formulierung von Kopplungsmethoden zwischen molekular- und kontinuumsmechanischen Modellen sind auftretende, ungewollte ghostforces, die in molekularmechanisch modellierten Systemen auch als Randeffekte auftreten. Die Virtuelle Projektionsmethode eliminiert diese Effekte durch die virtuelle Erweiterung der Struktur über deren physikalische Ränder hinweg.
Aktualisiert: 2020-06-05
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Die vorliegende Arbeit liefert einen Ansatz zur gekoppelten Mehrskalenmodellierung von auf Kohlenstoffnanoröhrchen basierenden bottom-up-Strukturen. Zentraler Bestandteil hierfür ist die entwickelte Virtuelle Projektionsmethode. Sie ist in der Lage die Translationsfreiheitsgrade der Atome an Rändern von molekularmechanisch modellierten Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem Knoten mit Translations- und Rotationsfreiheitsgraden zu koppeln. Dieser Knoten kann sowohl Schnittstelle zu kontinuumsmechanischen Modellen sein als auch die Formulierung von Randbedingungen auf Systemebene in molekularmechanischen Modellen stark vereinfachen bzw. neue ermöglichen. Eine zentrale Herausforderung in der Formulierung von Kopplungsmethoden zwischen molekular- und kontinuumsmechanischen Modellen sind auftretende, ungewollte ghostforces, die in molekularmechanisch modellierten Systemen auch als Randeffekte auftreten. Die Virtuelle Projektionsmethode eliminiert diese Effekte durch die virtuelle Erweiterung der Struktur über deren physikalische Ränder hinweg.
Aktualisiert: 2020-06-05
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Um die mechanischen Eigenschaften kurzfaserverstärkter Thermoplaste zu verbessern sind hohe Faseranteile notwendig. Hohe Faseranteile führen jedoch zu einer Dichteerhöhung und erschweren die Weiterverarbeitung. Als Alternative zu Kurzfasern gelten Nanofüllstoffe wie Kohlenstoffnanoröhren, die hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen. Ihnen wird ein großes Potenzial beigemessen, die Eigenschaften von Kunststoffen bei geringen Anteilen zu verbessern. Die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen-Thermoplast-Kompositen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften stellt im Technikums- und Industriemaßstab eine große Herausforderung dar, da die Kohlenstoffnanoröhrchen fein dispergiert vorliegen müssen.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Prozessparameter eines Aufbereitungsprozesses mit einem Doppelschneckenextruder auf die Dispergierung der Kohlenstoffnanoröhrchen und die mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen-Polyamid 6-Komposten untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Prozessparameter die Dispergierung der Kohlenstoffnanoröhrchen beeinflussen. Allerdings spiegeln sich die Veränderungen in der Morphologie nicht in maßgeblichen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften wider. Unabhängig von den Prozessparametern sind Kohlenstoffnanoröhrchen-Agglomerate zu beobachten, die auf eine zu kurze Verweilzeit und unzureichende Schubspannungen im Doppelschneckenextruder zurückzuführen sind. Um Kohlenstoffnanoröhrchen für die Verstärkung von kurzkohlenstofffaserverstärkten Polyamid 6-Kompositen zu nutzen, wird ein Teil Kohlenstofffasern durch Kohlenstoffnanoröhrchen ersetzt. Hierdurch können Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul gesteigert werden. Dies ist mit einer stärkeren Ausrichtung der Kohlenstofffasern in Belastungsrichtung zu begründen.
Aktualisiert: 2019-03-15
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