Modeling of Self-healing Polymers and Polymeric Composite Systems

Specht, Steffen

The present work deals with the continuum mechanical modeling of self-healing polymers based on the Theory of Porous Media (TPM). Most published works, dealing with the numerical description of self-healing materials, are based on the Continuum- Damage-Healing-Mechanics (CDHM) method. These method allows the description of the increase and decrease of structural toughness due to damage and healing effects. Interactions between the different constituents of such a multiphase material can not be taken into account. In contrast, within the framework of the TPM, interactions between the constituents (like difference velocities, phase transitions, exchange of temperature etc.) can be considered. The main focus is on the thermodynamically consistent derivation of a multiphase material model for the description of damage and healing effects in self-healing polymers. Afterward, the model is extended towards a transversely isotropic material behavior, in order to be able to describe also fiber reinforced polymer systems. Simulations of different boundary value problems show the applicability of the model, whereat in the last example the Phase Field Method is considered within the modeling process for the description of damage.

Die vorliegende Arbeit behandelt die kontinuumsmechanische Materialmodellierung von selbstheilenden Kunststoffen auf der Grundlage der Theorie poröser Medien (TPM). Die meisten Ansätze zur numerischen Beschreibung von selbstheilenden Materialien basieren auf der Continuum-Damage-Healing-Mechanics (CDHM) Methode. Diese Methode ermöglicht zwar die Beschreibung der Ab- und Zunahme der strukturellen Festigkeit auf Grund von Schädigungs- und Heilungseffekten, Interaktionen der verschiedenen Komponenten in solch einem Mehrkomponentenmaterial, können allerdings nicht berücksichtigt werden. Im Gegensatz dazu können im Rahmen der TPM Interaktionen (z. B. Differenzgeschwindigkeiten, Phasenübergänge, Temperaturaustauch etc.) beschrieben werden. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der thermodynamisch konsistenten Formulierung eines Mehrphasenmodells zur Beschreibung von Schädigungs- und Heilungseffekten in einem selbstheilenden Polymer. Anschließend wird das Modell um ein transversal isotropes Antwortverhalten erweitert, um auch selbstheilende faserverstärkte Kunststoffe mit abbilden zu können. Simulationen von verschiedenen Randwertproblemen zeigen die Anwendbarkeit des Modells auf, wobei im letzten Beispiel die Phasenfeldmethode zur Beschreibung der Schädigung in die Modellierung mit einbezogen wird.

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Specht, Steffen: Modeling of Self-healing Polymers and Polymeric Composite Systems. 2018.

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