In der vorliegenden Arbeit wird ein Überblick über die Modellierung, die numerische Simulation sowie über ausgewählte Anwendungen von elektroaktiven Materialien gegeben. Im Automobilbau und vor allem in der Luft- und Raumfahrttechnik stehen oft eine hohe Zuverlässigkeit, eine hohe Lebensdauer und Schädigungstoleranz über einen breiten Temperaturbereich, sowie geringes Gewicht und niedrige Kosten im Mittelpunkt, wohingegen in der Medizintechnik eher geringe elektrische Felder wichtig sind. Deshalb werden unterschiedliche adaptive Materialien mit verschiedenen Eigenschaften verwendet und in dieser Arbeit vorgestellt. Die vorliegende Arbeit ist folgendermaßen gegliedert: Zuerst wird ein Überblick über verschiedene aktive Materialien, die in adaptiven Strukturen eingesetzt werden, gegeben. Dieses Kapitel soll den Leser in die Arbeit einführen; in den weiteren Kapiteln werden jeweils unterschiedliche elektroaktive Materialien vertieft behandelt. Die Arbeit ist so aufgebaut, dass jedes Kapitel unabhängig von den anderen gelesen und verstanden werden kann. Dies bedeutet auch, dass einzelne Modelle in mehreren Kapiteln diskutiert und auf die jeweiligen Materialien angewandt werden. In den einzelnen Kapiteln werden Piezoelektrika und elektrostriktive Keramiken sowie ionische Polymere (Nanotubes, ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe und Hydrogele) vorgestellt. Die Modellierung wird abhängig von der gewünschten Darstellung der Phänomene auf unterschiedlichen Skalen durchgeführt. Hierbei kommen makroskopische Quellungsmodelle, die Theorie Poröser Medien, die gekoppelte chemo-elektro-mechanische Mehrfeldformulierung sowie die Diskrete-Elemente-Methode zum Einsatz. Als numerische Verfahren werden hierbei sowohl Finite Differenzen als auch stabilisierte Finite Elemente in Raum und Zeit verwendet. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen werden für die vorgestellten Materialien mit experimentellen Messungen, durchgeführt von den Arbeitsgruppen von Prof. R. W. Gülch (Uni Tübingen) und Prof. G. Gerlach (TU Dresden) Dipl.-Ing. I. Kolaric (Fraunhofer TEG Stuttgart) und Prof. D. J. Leo (CIMSS, Virginia Tech), verglichen. Hierbei zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die unterschiedlichen Modelle sowohl das Verhalten der Materialien sehr gut beschreiben als auch mit nur geringen Modifikationen auf weitere elektroaktive Materialien übertragen werden können.

    The increasing structural requirements in aerospace and precision mechanics lead to the concept of smart structures with load-carrying functions as well as actuatoric and sen-soric capabilities. The realization of such adaptive structures requires multifunctional materials. These materials react to non-mechanical (e.g. electrical, magnetic, thermal or chemical) stimulation with a mechanical response - e.g. a change of the mechanical properties or a deformation - and vice versa. A very promising group of materials here are electroactive materials with an electro-mechanical coupling. In the present work, an overview of the modeling, the numerical simulation and some applications of electroactive materials is given. In automotive or aerospace engineering materials featuring high reliability, high lifetime and fracture tolerance over a wide temperature range as well as little weight and low costs are needed, while in medicine techniques low applied electric fields are of importance. Thus, different electroactive materials with different properties are being used and are described here. The present thesis is structured as follows: At first an overview of different active materials for adaptive structures is given. In the following chapters, different electroactive materials are described in detail. All chapters can be read and understood independently. This means that some of the models - applied to the respective materials - may be discussed in multiple chapters. Piezoelectric and electrostrictive ceramics as well as ionic electroactive polymers (nanotubes, ionic polymer-metal composites, hydrogels) are presented in the individual chapters. The modeling which is dependent on the different phenomena is conducted on different scales. For this, macroscopic swelling models, the Theory of Porous Media, the coupled chemo-electro-mechanical multi-field formulation and the discrete element method are applied. For the numerical simulation, finite differences and finite elements in space and time are used. The results of the numerical simulations for the presented materials are compared with experiments performed by the working groups of Prof. R. W. Gülch (Uni Tübingen) and Prof. G. Gerlach (TU Dresden), Dipl.-Ing. I. Kolaric (Fraunhofer TEG Stuttgart) and Prof. D. J. Leo (CIMSS, Virginia Tech). A good correlation between theory and experiments has been found. In summary, it can be said that the different models (1) are able to represent the behavior of the materials adequately and (2) can be transferred to other electroactive materials with only small modifications.


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    Carpi, F. / Sommer-Larsen, P. / De Rossi, D. et al. | British Library Conference Proceedings | 2005


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