Polymer-Keramik-Komposite
Von der Natur kann man lernen, dass die besten Materialeigenschaften im Hinblick auf Festigkeit und Widerstand gegen Bruch erreicht werden, wenn man sehr harte (aber eventuell spröde) Materialien durch sehr dünne Schichten eines weichen, aber zähen Materials verbindet. Zum Beispiel bei Zahnschmelz und Perlmutt wird dies durch Keramikwerkstoffe (hart und spröde) mit einem Anteil von 90% und mehr verbunden durch organische Materialien im Nanometerbereich erreicht.
Solche Werkstoffe kann man künstlich durch Keramik-Polymer-Verbindungen nachbilden, entweder durch faserartige oder kugelförmige Keramikanteile.
Kugelförmige Partikel kann man geordnet (wie in einer Apfelsinenkiste) sehr dicht packen. Stellt man sich das Innere der Apfelsine als Keramik und die Apfelsinenschale als weiches organisches Material (Polymer) vor, so kann man durch Wärmebehandlung und/oder Druck erreichen, dass sich die Schalen verbinden und zu einem zähen und gleichzeitig festen Kompositwerkstoff werden.
Mit Hilfe der Finite Elemente Methode kann man die Geometrie und die Eigenschaften der Mikrostruktur abbilden und sowohl die Festigkeit als auch die Ausbreitung von Rissen durch Modellierung direkt simulieren. Durch Variation z.B. der Größe der Keramikpartikel oder der Polymer-Schichtdicke können Werkstoffeigenschaften optimiert und Hinweise zur Herstellung bestimmter Komponente gegeben werden. Da sich die Eigenschaften insbesondere des Polymerwerkstoffs durch den Herstellungsprozess verändern können, ist eine stete Zusammenarbeit mit der experimentellen Charakterisierung und/oder den Simulationstechniken auf der atomaren Skala unabdingbar.
Ein konkretes Anwendungsbeispiel für die Mikrostruktursimulation von Verbundwerkstoffen ist die numerische Charakterisierung von partikelbasierten Hochleistungskompositen mit einem sehr hohen Volumenanteil der Partikel, was durch eine Selbstassemblierung der Partikel in eine superkristalline Mikrostruktur erreicht wird. Magnetitpartikel mit einem Durchmesser von unter 20 nm werden hierbei mit Ölsäuremolekülen oberflächenbeschichtet und zu Superkristallen verbunden. Anschließend erhält dieser Verbund durch Wärmebehandlung und damit verbundene Vernetzung der organischen Moleküle eine außerordentliche Steifigkeit. Numerische Mehrskalenmodellierung und Homogenisierungsrechnung erlaubt Vorhersagen, welche makroskopischen Eigenschaften solcher Materialien abhängig von ihrer Mikrostruktur aufweisen. Die Mikrostruktur wiederum kann im Herstellungsprozess gezielt beeinflusst werden.
