Projekt MAPEL

Projektname:

Multi-scale approach for prediction of electrical properties of carbon nanotube reinforced polymers

Förderstelle:

DFG (03/2013 - 02/2016)

Projektpartner:

Assoziierte Partner:

Beschreibung:

Das Projekt MAPEL beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung eines Simulationsansatzes zur Vorhersage der elektrischen Leitfähigkeit von kohlenstoffnanoröhrenverstärkten Polymeren (CNRP). Dieser Simulationsansatz soll sowohl die atomistischen Ladungstransportmechanismen (Tunneleffekte) als auch experimentelle Ergebnisse aus der Literatur abbilden und so als ein Multi-Skalen Simulationsansatz gelten.

Der Projektpartner CMS beschäftigt sich dabei mit der atomistischen Simulation des Ladungstransports eines CNT/Polymer/CNT-Kontaktes und liefert somit Erkenntnisse zu physikalisch sinnvollen Minimalabständen und Leitfähigkeitswerten auf mikroskopischer, atomarer Skala.

Die ISEMP Professur beschäftigt sich innerhalb des Projekts mit der Entwicklung einer Simulation im mesoskopischen Bereich mithilfe der Methode der repräsentativen Volumenelemente (RVE) auf Basis eines modifizierten Knotenpotentialverfahrens. Die Schnittstelle zu atomistischen Rechnungen liegt dabei in den Leitfähigkeitswerten für Abstände unterhalb eines gesetzten Wertes (CutOff), die nach dem Landauer-Büttiker-Formalismus ermittelt werden.

Aktueller Stand:

Darstellung ausgewählter, aktueller Arbeiten

1.) Spezifische Leitfähigkeit im RVE in Abhängigkeit eines ansteigenden Volumenanteils. Deutlich zu erkennen ist der nicht-lineare Anstieg über mehrere Größenordnungen bei Erreichen der Perkolationsschwelle. Die Regressionskurven f(x) und g(x) wurden entsprechend der Perkolationstheorie angesetzt.

2.) Optionales „Clustern“ der Röhren innerhalb des RVE. Die Startpunkte jeder neuen Röhre werden dabei innerhalb einer Kugel im RVE gesetzt. Dies hat Einfluss auf die Perkolationsschwelle, die Größenordnung der spezifischen Leitfähigkeit an sich und die funktionelle Abhängigkeit zwischen spezifischer Leitfähigkeit und Volumenanteil.

3.) Atomistische Simulationszelle mit einem CNT/Polymer/CNT-Kontakt. Größer und farblich dargestellte Bereiche steuern einen größeren Beitrag zum Ladungstransport bei.

4.) Transmissionskoeffizient für den Übergang von Elektronen von CNT zu CNT durch Polymer in Abhängigkeit des Abstandes zwischen den Röhren. Zu den schwankenden Werten sind die Maxima, Minima, Mittelwerte und lineare Regressionskurven mit einem (single) und zwei (double) linearen Bereichen dargestellt.