Hochleistungs-TPCs zeichnen sich durch hohe Zähigkeit, Schweißbarkeit und Wiederverwertbarkeit aus und gelten daher als Schlüsselmaterialien für zukünftige Luft- und Raumfahrtstrukturen. Im Gegensatz zu Metallen oder duroplastischen Verbundwerkstoffen fehlt jedoch ein umfassendes prädiktives Framework, das den Zusammenhang zwischen Verarbeitungsbedingungen, Mikrostrukturevolution und strukturellem Verhalten zuverlässig beschreibt.

Dieses Projekt adressiert diese Lücke durch die Entwicklung eines integrierten rechnergestützten Materialmodells, das die prozessbedingte Mikrostrukturentwicklung, das Interfazerhalten und die Versagensmechanismen in kohlenstofffaserverstärkten TPCs abbildet. Das Projekt vereint komplementäre Fachkenntnisse der Michigan Technological University und der UC San Diego. Im Mittelpunkt dieses Netzwerks steht eine enge, langjährige Partnerschaft mit Brett A. Bednarcyk und Evan J. Pineda vom NASA Glenn Research Center. Diese einzigartige Zusammenarbeit integriert Mehrskalenmechanik, Kontinuumsmodellierung, molekulare Erkenntnisse und datengesteuerte Optimierung.

Forschungsschwerpunkte

• Mehrskalen- und Multiphysik-Modellierung: Entwicklung eines prädiktiven Modells, das den Einfluss von Verarbeitungsbedingungen auf Mikrostruktur, Eigenspannungen und effektive Materialeigenschaften beschreibt.

• Interfazeigenschaften und Delamination: Modellierung von Bindungs- und Entbindungsprozessen sowie gemischten Bruchmodi an Faser-Matrix- und Interlaminarinterfaces.

• Schadens- und Versagensmodellierung: Formulierung eines robusten Ansatzes zur Beschreibung anisotroper Schädigung und weicher werdenden Materialverhaltens in TPC-Laminaten.

• Integration molekularer und experimenteller Daten: Nutzung von Erkenntnissen aus Nano- und Mikroskalen zur physikalisch basierten Parametrierung der Kontinuumsmodelle.

• Datengetriebene Ersatzmodelle: Aufbau von Machine-Learning-Modellen zur effizienten Abbildung des Zusammenhangs zwischen Prozessparametern und strukturellen Kennwerten.

• Optimierung der Prozessparameter: Identifikation optimaler Verarbeitungsfenster zur Maximierung von Interlaminarfestigkeit, Zähigkeit und struktureller Leistungsfähigkeit.