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In the paper, the spark plasma sintering (SPS) process for metal particles has been simulated based on experimental data and using the finite element method in the thermo-electro-mechanical formulation with taking into account the temperature influence on parameters of materials (nickel and copper). A comparison of obtained results with experimental data made it possible to create a computational model of the SPS process, the model being convenient to evaluate the influence of creep and plasticity parameters on the size of the interparticle neck forming in SPS. It was found that the creep effect significantly dominated over the plasticity influence on the process of forming the sintering neck at high temperatures. In this case, the variation of creep parameters in simulation also actively affects the formation of the neck.

На основе экспериментальных данных в работе промоделирован процесс искрового плазменного спекания (ИПС) металлических частиц методом конечных элементов в термоэлектромеханической постановке с учетом влияния температуры на параметры материалов (никеля и меди). Сравнение результатов моделирования с экспериментом позволило создать вычислительную модель процесса ИПС, удобную для оценки влияния параметров ползучести и пластичности на размер межчастичной шейки, образующейся при проведении ИПС. Установлено, что для высоких температур эффект ползучести в несколько раз превосходит влияние пластичности на процесс образования шейки спекания. При этом изменение параметров ползучести при моделировании также активно влияет на формирование шейки., In the paper, the spark plasma sintering (SPS) process for metal particles has been simulated based on experimental data and using the finite element method in the thermo-electro-mechanical formulation with taking into account the temperature influence on parameters of materials (nickel and copper). A comparison of obtained results with experimental data made it possible to create a computational model of the SPS process, the model being convenient to evaluate the influence of creep and plasticity parameters on the size of the interparticle neck forming in SPS. It was found that the creep effect significantly dominated over the plasticity influence on the process of forming the sintering neck at high temperatures. In this case, the variation of creep parameters in simulation also actively affects the formation of the neck.

Charged hydrogels are ionic polymer gels and belong to the class of smart materials. These gels are multiphasic materials which consist of a solid phase, a fluid phase and an ionic phase. Due to the presence of bound charges these materials are stimuli-responsive to electrical or chemical loads. The application of electrical or chemical stimuli as well as mechanical loads lead to a viscoelastic response. On the macroscopic scale, the response is governed by a local reversible release or absorption of water which, in turn, leads to a local decrease or increase of mass and a respective volume change. Furthermore, the chemo-electro-mechanical equilibrium of a hydrogel depends on the chemical composition of the gel and the surrounding solution bath. Due to the presence of bound charges in the hydrogel, this system can be understood as an osmotic cell where differences in the concentration of mobile ions in the gel and solution domain lead to an osmotic pressure difference. In the present work, a continuum-based numerical model is presented in order to describe the time-dependent swelling behavior of hydrogels. The numerical model is based on the Theory of Porous Media and captures the fluid-solid, fluid-ion and ion-ion interactions. As a direct consequence of the chemo-electro-mechanical equilibrium, the corresponding boundary conditions are defined following the equilibrium conditions. For the interaction of the hydrogel with surrounding mechanical structures, also respective jump condtions are formulated. Finaly, numerical results of the time-dependent behavior of a hydrogel-based chemo-sensor will be presented.

In engineering, materials are chosen from databases: Engineers orient on specific parameters such as Young's modulus, yield stress or thermal expansion coefficients for a desired application. For hydrogels, the choice of materials is rather tedious since no generalized material parameters are currently available to quantify the swelling behavior. The normalization of swelling, which we present in the current work, allows an easy comparison of different hydrogel materials. Thus, for a specific application like a sensor or an actuator, an adequate material can be chosen. In the current work, we present the process of normalization and provide a course of action for the data analysis. Special challenges for hydrogels like hysteresis, conditional multi-sensitivity and anisotropic swelling are addressed. Then, the Temperature Expansion Model is shortly described and applied. Using the derived normalized swelling curves, a nonlinear expansion coefficient β(F) is derived. The derived material behavior is used in an analytical model to predict the bending behavior of a beam made of thermo-responsive hydrogel material under an anisotropic temperature load. A bending behavior of the beam can be observed and the impact of other geometry and material parameters can be investigated. To overcome the limitations of the one-dimensional beam theory, the material behavior and geometry can be implemented in Finite Element analysis tools. Thus, novel applications for hydrogels in various fields can be envisioned, designed and tested. This can lead to a wider use of smart materials in sensor or actuator devices even by engineers without chemical background.

In this work, a design platform for the modeling, simulation and optimization of fluidic components and their interactions in larger systems is developed. A hydrogel-based stimulus-sensitive microvalve is the core element of the microfluidic toolbox. Essential material properties as swelling-stimuli functions and the cooperative diffusion are extracted from measurements. The results provide necessary input data for finite element simulations in order to extract characteristic properties of the mechanical and fluid domains. Finally, the behavior of the microvalve and other fluidic library elements is implemented in Matlab Simscape for component and system simulations. Case studies and design optimization can be realized in a very short time with high accuracy. The toolbox is suitable for research and development and as software for academic education. The library elements are evaluated for a chemofluidic NAND gate, a chemofluidic decoder and a chemofluidic oscillator.:1 Introduction to Microfluidic Systems 1.1 Chemofluidic Enables Scalable and Logical Microfluidics 1.2 Focus of this Work 2 Fundamentals for Hydrogel-based Lab-on-Chip Systems 2.1 Basic Hydrogel Material Behavior 2.1.1 Basic Swelling Behavior 2.1.2 General Properties of Hydrogels 2.2 Overview of the used Microtechnology 2.2.1 Synthesis of P(NIPAAm-co-SA) 2.2.2 Microfabrication of a Microfluidic Chip 2.3 Introduction to Modeling and Simulation Techniques 2.3.1 Computer-aided Design Methodologies 2.3.2 Model Abstraction Levels for Computer-Aided Design 2.3.3 Modeling Techniques for Microvalves in a Fluidic System 3 Analytical Descriptions of Swelling 3.1 Quasi-Static Description 3.1.1 Physical Static Chemo-Thermal Description 3.1.2 Finite Element Routine for Static Thermo-Elastic Expansion 3.1.3 Static System Level Design for Hydrogel Swelling 3.2 Transient Description 3.2.1 Physical Dynamic Chemo-Thermal Description 3.2.2 Finite Element Routine for Dynamic Thermo-Elastic Expansion 3.2.3 Transient System Level Design for Hydrogel Swelling 3.3 Swelling Hysteresis Effect 3.3.1 Quasi-static Hysteresis 3.3.2 Transient Hysteresis 4 Characterization of Hydrogel 4.1 Data Acquisition through Automated Measurements 4.1.1 Measuring the Swelling of Hydrogels 4.1.2 Contactless Measurement Concept to Determine the Core Stiffness of Hydrogels 4.2 Data Evaluation with Image Recognition 4.3 Data Fitting and Model Adaption 4.3.1 Quasi-static Response 4.3.2 Transient Response 4.3.3 Hysteresis Response 5 Modeling Swelling in Finite Elements 5.1 Validity of the Model and Simulation Approach 5.2 Thermo-Mechanical Model of the Hydrogel Expansion Behavior 5.2.1 Change of the Length by Thermal Expansion 5.2.2 Stress-Strain Relationship for Hydrogels 5.2.3 Thermal Volume Expansion and Parameter Adaptation 5.2.4 Heat Transfer Coefficient 5.3 Volume Phase-Transition of a Hydrogel implemented in ANSYS 5.4 Computational Fluid Dynamics 5.4.1 Analytic Mesh Morphing 5.4.2 One-way Fluid Structure Interaction Modeling 5.4.3 Towards a Two-way Fluid Structure Interaction Model in CFX 6 Lumped Modeling 6.1 The Chemical Volume Phase-transition Transistor Model 6.1.1 Static Hysteresis 6.1.2 Equilibrium Swelling Length – Quasi-static Behavior 6.1.3 Kinematic Swelling Length - Transient Behavior 6.1.4 Stiffness and Maximum Closing Pressure 6.1.5 Calculation of the Fluidic Conductance 6.1.6 Modeling of the Fluid Flow through the Valve 6.2 Circuit Descriptions Analogy for Microfluidic Applications 6.2.1 Advantages and Limitations of Combined Simulink-Simscape Models 6.2.2 Requirements for Microfluidic Circuits 6.2.3 Graphical User Interfaces and Library Element Management 6.3 Modeling Techniques for the Chemical Volume Phase-transition Transistor (CVPT) 6.3.1 Network Description of CVPT 6.3.2 Signal Flow Description of CVPT 6.3.3 Mixed Signal Flow and Network Model for CVPT 7 Micro-Fluidic Toolbox 7.1 Microfluidic Components 7.1.1 Fluid Sources and Stimuli Sources 7.1.2 Fluidic Resistor with Bidirectional Stimulus Transport 7.1.3 Junctions 7.1.4 Chemical Volume Phase-transition Transistor 7.2 Microfluidic Matlab Toolbox 7.3 Modeling Chemofluidic Logic Circuits 7.3.1 Chemofluidic NAND Gate 7.3.2 Chemofluidic Decoder Application 7.3.3 Chemo-Fluidic Oscillator 7.4 Layout Synthesis 8 Summary and Outlook Appendix A 2D Thermo-Mechanical Solid Element for the Finite Element Method B Thermal Expansion Equation for ANSYS C Linear Regression of the Thermal Expansion Equation for ANSYS D Comparing different Mechanical Strain Definitions E Supporting Documents E.1 Analytic Static Swelling E.2 FEM - Matrix Method E.3 8 Node Finite Element Routine E.4 FEM - Script to create the CTEX table data E.5 Comparison of Solid Mechanics In dieser Arbeit wird eine Entwurfsplattform für die Modellierung, Simulation und Optimierung von fluidischen Komponenten und deren Wechselwirkungen in größeren Systemen entwickelt. Ein Mikroventil auf der Basis von stimuli-sensitiven Hydrogelen ist das Kernelement des Entwurfstools. Wesentliche Materialeigenschaften wie das Quellverhalten und der kooperative Diffusionskoeffizient werden zu Beginn mit Messungen ermittelt. Mit Finite-Elemente-Simulationen werden aus diesen Daten charakteristische Kennwerte für das mechanische und fluidische Verhalten bestimmt. Sie bilden die Basis für komplexe Systemmodelle in Matlab Simscape, welche das Mikroventil und weitere fluidische Grundelemente in ihrem Zusammenwirken beschreiben. Verschiedene Konzepte können in kurzer Zeit und mit hoher Genauigkeit analysiert, optimiert und verglichen werden. Die Toolbox eignet sich für die Forschung und Entwicklung sowie als Software für die akademische Ausbildung. Sie wurde für den Entwurf eines chemofluidischen NAND-Gatters, für einen chemofluidischen Decoder und für einen chemofluidischen Oszillator eingesetzt.:1 Introduction to Microfluidic Systems 1.1 Chemofluidic Enables Scalable and Logical Microfluidics 1.2 Focus of this Work 2 Fundamentals for Hydrogel-based Lab-on-Chip Systems 2.1 Basic Hydrogel Material Behavior 2.1.1 Basic Swelling Behavior 2.1.2 General Properties of Hydrogels 2.2 Overview of the used Microtechnology 2.2.1 Synthesis of P(NIPAAm-co-SA) 2.2.2 Microfabrication of a Microfluidic Chip 2.3 Introduction to Modeling and Simulation Techniques 2.3.1 Computer-aided Design Methodologies 2.3.2 Model Abstraction Levels for Computer-Aided Design 2.3.3 Modeling Techniques for Microvalves in a Fluidic System 3 Analytical Descriptions of Swelling 3.1 Quasi-Static Description 3.1.1 Physical Static Chemo-Thermal Description 3.1.2 Finite Element Routine for Static Thermo-Elastic Expansion 3.1.3 Static System Level Design for Hydrogel Swelling 3.2 Transient Description 3.2.1 Physical Dynamic Chemo-Thermal Description 3.2.2 Finite Element Routine for Dynamic Thermo-Elastic Expansion 3.2.3 Transient System Level Design for Hydrogel Swelling 3.3 Swelling Hysteresis Effect 3.3.1 Quasi-static Hysteresis 3.3.2 Transient Hysteresis 4 Characterization of Hydrogel 4.1 Data Acquisition through Automated Measurements 4.1.1 Measuring the Swelling of Hydrogels 4.1.2 Contactless Measurement Concept to Determine the Core Stiffness of Hydrogels 4.2 Data Evaluation with Image Recognition 4.3 Data Fitting and Model Adaption 4.3.1 Quasi-static Response 4.3.2 Transient Response 4.3.3 Hysteresis Response 5 Modeling Swelling in Finite Elements 5.1 Validity of the Model and Simulation Approach 5.2 Thermo-Mechanical Model of the Hydrogel Expansion Behavior 5.2.1 Change of the Length by Thermal Expansion 5.2.2 Stress-Strain Relationship for Hydrogels 5.2.3 Thermal Volume Expansion and Parameter Adaptation 5.2.4 Heat Transfer Coefficient 5.3 Volume Phase-Transition of a Hydrogel implemented in ANSYS 5.4 Computational Fluid Dynamics 5.4.1 Analytic Mesh Morphing 5.4.2 One-way Fluid Structure Interaction Modeling 5.4.3 Towards a Two-way Fluid Structure Interaction Model in CFX 6 Lumped Modeling 6.1 The Chemical Volume Phase-transition Transistor Model 6.1.1 Static Hysteresis 6.1.2 Equilibrium Swelling Length – Quasi-static Behavior 6.1.3 Kinematic Swelling Length - Transient Behavior 6.1.4 Stiffness and Maximum Closing Pressure 6.1.5 Calculation of the Fluidic Conductance 6.1.6 Modeling of the Fluid Flow through the Valve 6.2 Circuit Descriptions Analogy for Microfluidic Applications 6.2.1 Advantages and Limitations of Combined Simulink-Simscape Models 6.2.2 Requirements for Microfluidic Circuits 6.2.3 Graphical User Interfaces and Library Element Management 6.3 Modeling Techniques for the Chemical Volume Phase-transition Transistor (CVPT) 6.3.1 Network Description of CVPT 6.3.2 Signal Flow Description of CVPT 6.3.3 Mixed Signal Flow and Network Model for CVPT 7 Micro-Fluidic Toolbox 7.1 Microfluidic Components 7.1.1 Fluid Sources and Stimuli Sources 7.1.2 Fluidic Resistor with Bidirectional Stimulus Transport 7.1.3 Junctions 7.1.4 Chemical Volume Phase-transition Transistor 7.2 Microfluidic Matlab Toolbox 7.3 Modeling Chemofluidic Logic Circuits 7.3.1 Chemofluidic NAND Gate 7.3.2 Chemofluidic Decoder Application 7.3.3 Chemo-Fluidic Oscillator 7.4 Layout Synthesis 8 Summary and Outlook Appendix A 2D Thermo-Mechanical Solid Element for the Finite Element Method B Thermal Expansion Equation for ANSYS C Linear Regression of the Thermal Expansion Equation for ANSYS D Comparing different Mechanical Strain Definitions E Supporting Documents E.1 Analytic Static Swelling E.2 FEM - Matrix Method E.3 8 Node Finite Element Routine E.4 FEM - Script to create the CTEX table data E.5 Comparison of Solid Mechanics

In der vorliegenden Dissertationsschrift wird ein thermo-elektro-mechanisches Modell zur Simulation des Verhaltens von dielektrischen Elastomeraktoren vorgestellt. Zur Beschreibung der elektrischen und thermischen Eigenschaften werden lineare Modelle verwendet. Ein isotropes viskohyperelastisches mechanisches Materialmodell wird auf Grundlage der Hyperelastizität nach Ogden und der Beschreibung viskosen Verhaltens mittels Prony-Reihen eingesetzt. Die elektromechanische Kopplung ist durch die elektrostatische Anziehungskraft geladener Elektroden begründet. Die verlustbehafteten Prozesse der elektromechanischen Energieumwandlung bzw. des Ladungstransports führen zu einer Verlustleistung, welche in Wärme umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine unidirektionale Kopplung zwischen dem elektromechanischen und dem thermischen Feld erreicht. Die entsprechenden Materialparameter wurden der Literatur entnommen oder von Daten experimenteller Untersuchungen abgeleitet, welche am Institut für Elektromechanische Konstruktion (EMK) der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt wurden. Mittels der Finite-Elemente-Methode wurde das thermo-elektro-mechanischen Modell zur Simulation zweier Testgeometrien verwendet. Dabei wurde eine gute qualitative Übereinstimmungen zwischen den Ergebnissen der numerisch Simulation und den experimentellen Beobachtungen des EMK erreicht. Die Ursachen quantitativer Differenzen zwischen den experimentell ermittelten und den numerisch berechneten Temperaturen werden untersucht und diskutiert. Abgeleitet aus den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen werden abschließend Vorschläge zu einer Verringerung der dissipationsbedingten Erwärmung unterbreitet. Diese Vorschläge sind durch konstruktive, beispielsweise geometrische oder materielle, Eigenschaften von DE-Aktoren begründet, oder können aufgrund der aktiven Anregung getroffen werden.

Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) gelten seit einigen Jahren als vielversprechendes neuartiges Material für verschiedenste Anwendungen in der Technik unterschiedlicher Fachgebiete. Von besonderem Interesse, z.B. in Leichtbaustrukturen, sind die postulierten exzellenten mechanischen Eigenschaften der einzelnen CNTs hinsichtlich Steifigkeit und Festigkeit. Diese auf der Nanoskala identifizierten Eigenschaften sollen auch in makroskopischen Bauteilen zu besonders guten mechanischen Eigenschaften führen. Demonstriert werden kann dies zum Beispiel an einer neuartigen Faser, die aus einer Vielzahl individueller Kohlenstoffnanoröhren gesponnen wurde. An dieser Faser durchgeführte Tests zeigen jedoch, dass die Eigenschaften nicht in der gewünschten Höhe von der Nanoskale auf die Makroskale übertragen werden. Um diesen Effekt erklären und evtl. beheben zu können, sowie für das Design von Strukturen aus Nanoröhren ('Superstrukturen') und einige weitere Anwendungen, sind Simulationsmodelle nötig, die die grundlegenden mechanischen (elastischen) Eigenschaften beschreiben können und zudem mit einer sehr großen Anzahl beteiligter CNTs und damit Atome umgehen können. Betrachtet man dies zusätzlich unter dem Aspekt, dass, beispielsweise zu Designzwecken, jeweils Rechnungen zu mehreren Varianten notwendig sind, ist verständlich, dass für jeden Durchlauf nur eine begrenzte Menge an Rechenzeit aufgebracht werden soll. Daher wird in der vorliegenden Arbeit ein mechanisches Modell der Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, das die geforderte Aufgabe um ein Vielfaches schneller als quantenmechanische Methoden oder auch klassische Molekulardynamik behandeln kann. Basis hierfür ist ein molekularmechanischer Ansatz, der ein Ersatzmodell der betrachteten Kohlenstoffnanoröhre aus Balkenelementen erzeugt. Die zur Definition des Balkenfachwerks nötigen Balkeneigenschaften werden hierbei aus einem zugrundeliegenden chemischen Kraftfeld abgeleitet, das die kovalenten Bindungen zwischen den Atomen der Nanoröhre beschreibt. Der Ansatz ist damit in die Klasse der 'molecular structural mechanics' (MSM) Ansätze einzuordnen. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit ist zunächst ein etabliertes MSM-Modell, dessen Schwächen in der vorliegenden Arbeit analysiert werden. Dabei wird festgestellt, dass der bisher verwendete MSM-Ansatz nicht energetisch konsistent zum zugrundeliegenden chemischen Kraftfeld ist. Dieser Umstand wird zunächst durch die Entwicklung eines modifizierten MSM-Modells behoben. Anschließend wird gezeigt, dass dieses Modell energetisch konsistent zum eingesetzten Kraftfeld ist. Um weitere Fortschritte mit dem gewählten molekularmechanischen Ansatz zu erzielen, wird dann ein verallgemeinertes MSM-Modell auf Basis eines fortschrittlichen chemischen Kraftfeldes entwickelt, das weitere Nachteile des ursprünglichen Ansatzes behebt und universeller einsetzbar ist. Das Modell wird dann zur Bestimmung der elastischen Konstanten von Armchair und Zig-zag CNTs eingesetzt und die erhaltenen Ergebnisse diskutiert.:1. Grundlagen 2. Modellbildung und Simulation einwandiger Kohlenstoffnanoröhren 3. Ergebnisse und Diskussion zum Zweck der Modellentwicklung 4. Ergebnisse und Diskussion der elastischen Parameter einwandiger CNTs 5. Zusammenfassung und Ausblick For several years now, Carbon Nanotubes (CNTs) are seen as a promising new material for manifold applications in new technologies from different fields. The predicted excellent mechanical properties such as high strength and stiffness are of particual interest e.g. in lightweight structures. The nanoscopic propertiers are prone to lead to good mechanical properties also in macrosopic parts. This can be demonstrated for instance on the basis of a novel type of carbon fiber which is spun out of a multitude of individual carbon nanotubes. However, tests of the fibre show that the outstanding properties on the nanoscale are not fully transfered to the macroscale. In order to explain this effect as well as for designing structures made out of nanotubes (so called super structures) and other applications, models for simulations are needed. These models should be capable of reproducing the basic (elastic) mechnical properties of the nanotubes as well as to be capcable of dealing with a large number of participating nanotubes and hence atoms. Considering the additional aspect that multiple calculations of similar systems, e.g. for design purposes, are required, it is easy to understand, that for each calculation only a limited amount of computational effort is affordable. Hence, in the present work a mechanical model for the carbon nanotubes is developed which can fulfil the requested task in a much shorter time than quantummechanical or moleculardynamic calculations. The model is based on a molecular mechanics approach which creates a substitute model for the carbon nanotube based on beam elements. The parameters mandatory to define the beam elements in the beam framework are obtained on the basis of a chemical force field forming the foundation of the approach. The chemical force fields describes the properties of the covalent bonds in the carbon nanotube. As a result, the proposed model can be classified to be part of the molecular structural mechanics (MSM) approaches. Starting point of the present work is a well known MSM-model which is at first analyzed in order to identify its drawbacks. During this investigation it is found, that the model used so far is not consistent in terms of energy to its underlying chemical force field. This problem is fixed by the development of a modified MSM-approach. It is shown that this modified approach is now consistent to the underlying chemical force field in terms of energy. In order to further improve the method, a generalized, advanced MSM-framework is developed on the basis of a sophisticated chemical force field. This advanced framework resolves further drawbacks of the models and enables a more general application of the model. The obtained model is then used to calculate and discuss the elastic constants of Armchair and Zig-zag Carbon Nanotubes.:1. Grundlagen 2. Modellbildung und Simulation einwandiger Kohlenstoffnanoröhren 3. Ergebnisse und Diskussion zum Zweck der Modellentwicklung 4. Ergebnisse und Diskussion der elastischen Parameter einwandiger CNTs 5. Zusammenfassung und Ausblick

Smart polymers are stimuli-responsive materials that undergo reversible and large changes of the material properties as a consequence of small environmental variations. Their light weight, biocompatibility, adaptability, mechanical strength and environment-friendly properties make them suitable for a wide range of applications, such as actuators, sensors and energy transducers. Despite their very interesting properties, there are still many problems which need to be solved. In particular, there is a high demand by the scientific community to develop advanced theoretical models which aim at understanding the complex and unclear phenomena occurring in smart polymers. In the present thesis, an innovative multiphysics electro-chemo-hydro-mechanical (ECHM) model is formulated within the framework of continuum mechanics. The proposed model assumes the solvent-ion-polymer mixture as a continuum homogenized body and takes into account four different physical fields, namely: (i) the electrical field, (ii) the chemical field related to the ion transport, (iii) the chemical field related to the water/solvent transport, and (iv) the mechanical field within the framework of large deformations. Couplings terms are derived at the constitutive level among the involved physical fields and allow to model a key aspect of smart polymers, i.e. the capability of transducing energy from one form to another. Reduced versions of the ECHM model are used to investigate, numerically and analytically, three particular problems involving smart polymers, namely: (i) the chemical reactions occurring at the interface between the polymer membrane and the electrodes of electrochemical cells, (ii) the electro-chemo-mechanical state of a single polymeric membrane within a stack of membranes, and (iii) the swelling/shrinking process of constrained and stressed polymer gels. The performed investigation confirm that the ECHM model and its reduced versions are capable of describing the complex multiphysics behavior of smart polymers. The current research improves the theoretical knowledge concerning the behavior of smart polymers and gives further contributions in literature. Starting from the outcomes of the proposed research, many interesting extensions can be potentially developed in order to address very important topics as, for example, fatigue in polymers. Smarte Polymere sind stimulierbare Materialien, die, verursacht durch die Änderung ihrer Umgebung, eine reversible und große Änderung ihrer materiellen Eigenschaften erfahren. Ihr leichtes Gewicht, ihre Biokompatibilität, ihr Anpassungsvermögen, ihre mechanische Beanspruchbarkeit und ihre umgebungsfreundlichen Eigenschaften machen sie attraktiv für weite Anwendungsbereiche, z. B. als Aktoren, Sensoren oder Energiewandler. Trotz ihrer exzellenten Eigenschaften gibt es noch viele Probleme, die gelöst werden müssen. Insbesondere die Nachfrage nach fortgeschrittenen theoretischen Modellen mit dem Ziel die komplexen physikalischen Phänomene zu beschreiben, die in smarten Polymeren ablaufen, ist sehr hoch. In der eingereichten Doktorarbeit, wird ein elektro-chemo-hydro-mechanisches (ECHM) Modell basierend auf der Kontinuumsmechanik vorgestellt. In dem dargelegten Modell wird die Mischung aus Lösungsmittel, Ionen und Polymer als homogenisiertes Kontinuum betrachtet, wobei vier verschiedene physikalische Felder berücksichtigt werden: (i) das elektrische Feld, (ii) das auf den Ionentransport bezogene chemische Feld (iii) das auf den Wasser- bzw. den Lösungsmitteltransport bezogene chemische Feld und (iv) das mechanische Feld unter der Berücksichtigung von großen Deformationen. Kopplungsterme werden auf konstitutiver Ebene aus den beteiligten physikalischen Feldern abgeleitet. Die elektro-chemo-mechanische Kopplung erlaubt die Modellierung einer der wesentlichen Eigenschaften smarter Polymere, nämlich die Fähigkeit zur Umwandlung der verschiedenen Energieformen. Drei spezielle Problemstellungen von smarten Polymeren, wurden numerisch und analytisch auf Grundlage reduzierter Varianten des ECHM-Modells untersucht: (i) die auftretenden chemischen Reaktionen an der materiellen Grenzfläche zwischen Polymermembran und den Elektroden der elektrochemischen Zelle, (ii) das elektro-chemo-mechanische Verhalten einer einzelnen Polymer-membran in einem Membranstapel und (iii) der Quellungs- bzw. Entquellprozess von vorgespannten Polymergelen. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen die Anwendbarkeit des ECHM-Modells und seinen reduzierten Varianten zur Beschreibung des komplexen physikalischen Verhaltens von smarten Polymeren. Die dargelegte Forschung verbessert das theoretische Verständnis hinsichtlich des Verhaltens von smarten Polymeren und leistet einen Beitrag zum aktuellen Stand der Wissenschaft. Auf den Resultaten der dargelegten Forschung basierend, können viele interessante Erweiterungen gemacht werden, welche sich auf wichtige Themengebiete, wie z. B. die Ermüdung von Polymeren, beziehen.

Der moderne Entwicklungsprozess von Bauteilen umfasst nicht nur Aspekte der funktionsgerechten Dimensionierung, sondern berücksichtigt auch Materialien, die auf Umgebungsbedingungen reagieren oder deren Verhalten sich von außen regeln lassen kann. Im Allgemeinen weisen diese Materialien mechanische Eigenschaften auf, die von mindestens einem weiteren physikalischen Feld, das zum Beispiel elektrischer, magnetischer oder chemischer Natur sein kann, aufgrund dem Material eigener innerer Wechselwirkungen beeinflusst werden. In der Literatur wird für diese Klasse von Materialien häufig der Begriff smart materials oder intelligent materials verwendet [Leo07]. Für die Forschung stellten diese Materialien in den letzten Jahren ein außerordentlich spannendes Aufgabenfeld dar, sodass eine Vielzahl von Materialien klassifiziert werden konnte [BC04] und auf Basis ihrer charakteristischen Eigenschaften neuartige Sensor- und Aktorsysteme entstanden sind [GA10]. Ein Beispiel ist das in Abbildung 1.1 dargestellte Modell eines Chemosensors auf Basis eines polyelektrolyten Gels, der am Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden entwickelt wurde.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten polyelektrolytischer Gele und Hydrogelschichtsysteme auf Basis der Kontinuumsmechanik zu modellieren. Die Untersuchung des Materialverhaltens gegenüber externer Stimulation erfolgt anhand numerischer Simulationen, wodurch Einblicke in den komplexen Quellprozess und darin auftretende Phänomene gewährt werden. Die vorgenommene Modellierung und Simulation gestattet dabei eine Optimierung der Systemeigenschaften für den Anwendungsfall. Anwendungsfehler und die Anzahl nötiger Versionen zur Systemgestaltung können hierdurch effektiv verringert werden. Hydrogele stellen wichtige Vertreter aus der Klasse intelligenter Materialien dar, d.h. sie sind in der Lage auf Umwelteinflüsse durch eine reversible Änderung ihrer Materialeigenschaften zu reagieren. Sie bestehen aus einer mit Wasser gefüllten Polymermatrix, in welcher ionische Ladungsträger vorliegen. Dabei sind mobile Ladungsträger im Wasser enthalten. Die Materialeigenschaften von Hydrogelen beruhen auf ihrer chemischen Zusammensetzung und können jeweils spezifisch für ihren Anwendungsfall angepasst werden. So reagieren polyelektrolytische Hydrogele mit einem reversiblen Quell- bzw. Schrumpfungsprozess auf externe elektrische Felder und die Änderung der chemischen Zusammensetzung im umgebenden Lösungsmittelbad. Die reversible Volumenänderung gegenüber externer Stimuli eröffnet Hydrogelen ein breites Anwendungsfeld. Insbesondere sind sie für die Entwicklung neuer Messsysteme relevant, da über klassische Messgrößen hinaus auch sehr spezifische chemische Größen untersucht werden können. Auch eignen sich Hydrogele als aktive Komponenten mikrofluidischer Ventile, welche auf die Zusammensetzung des Fluides reagieren. Da sie keine externe Ansteuerung bzw. Energieversorgung benötigen, sind sie leichter miniaturisierbar als klassische Ventile. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte sind Hydrogele prinzipiell auch für die Entwicklung leichter und energieeffizienter Aktoren geeignet. Hierbei stellt die von der Größe des Hydrogels abhängige Reaktionszeit bislang jedoch eine Hürde dar, wodurch ihr Einsatz in kleinskaligen Anwendungen wahrscheinlicher ist. Die Kombination mehrerer Schichten aus Hydrogelen ermöglicht hierbei die Anwendung als Biegeaktoren bzw. Messsysteme mit erhöhter Genauigkeit. Da ein fundiertes Wissen über die komplexen Vorgänge im Hydrogel eine große Rolle bei der Weiterentwicklung neuartiger Anwendungen spielt, wird in dieser Arbeit das komplexe Materialverhalten numerisch abgebildet. Hierbei wird insbesondere Wert auf die Interaktion der chemischen, elektrischen sowie der mechanischen Domäne gelegt. Dabei wird a priori angenommen, dass die komplizierte Mikrostruktur des porösen Hydrogels als Kontinuum darstellbar ist und die relevanten Phänomene über Feldgleichungen abgebildet werden können. Es wird eine Einführung über polyelektrolytische Hydrogele und Hydrogelschichtsysteme gegeben, wobei insbesondere auf deren mikrostrukturellen Aufbau und daraus ableitbare Einsatzgebiete eingegangen wird. Mittels eines Überblicks über Modellierungsansätze in der publizierten Literatur werden die hier verwendeten Modellierungsansätze motiviert und in das Umfeld bestehender Vorarbeiten eingeordnet. Nach der Einführung notwendiger Grundlagen der physikalischen Chemie wird die Modellbildung mit der gewählten Kinematik, den Bilanzgleichungen und den Materialgleichungen zur Beschreibung von Hydrogelen und Hydrogelschichtsystemen vorgestellt. Die Bilanzgleichungen umfassen hierbei die Massenerhaltung des Polymers und der ionischen Spezies, die Impuls- und Drehimpulsbilanz sowie die Maxwell-Gleichungen. Nach der Beschreibung geeigneter Materialgleichungen folgt eine Zusammenstellung des gekoppelten chemo-elektro-mechanischen Feldproblems. Zur Lösung des gekoppelten Feldproblems wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) genutzt. Die Validierung des erstellten Modells wird anhand eines Quellexperiments von Frijns et al. durchgeführt. Durch den Vergleich mit einem auf der Theorie Poröser Medien (TPM) basierenden Modells kann das hier verwendete Modell abgeglichen werden, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen beider Modelle herrscht. Basierend auf den Vorarbeiten von Wallmersperger et al. und Attaran et al. wurde das hier genutzte Modell um einen zeitlichen Term in der Beschreibung der Referenzkonzentration erweitert. Hieraus resultiert eine qualitative Verbesserung in der Darstellung des zeitlichen Quellverlaufes bei chemischer Stimulation. In Anlehnung an vorhergehende Arbeiten auf dem Gebiet erfolgt die Kopplung von der mechanischen Domäne zur chemischen Domäne über eine vom Verzerrungszustand abhängige Konzentration gebundener Ladungsträger. Hier durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass diese Rückkopplung auch unter der Annahme kleiner Deformationen Relevanz besitzt und nicht vernachlässigt werden sollte. Anders als z.B. mit der TPM oder mit dem Flory-Rehner Modell ist es unter Verwendung des hier entwickelten Modells möglich, Grenzschichtphänomene zwischen Gel und Lösungsmittelbad aufzulösen. Durch die Untersuchung der Grenzschicht zeigt sich eine annähernd lineare Abhängigkeit der Grenzschichtdicke von der relativen Permittivität des Hydrogels. Auch lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Konzentration gebundener Ladungsträger und der Grenzschichtdicke identifizieren. Um das Potential der gewählten Methode zu demonstrieren, wird anhand des Beispiels eines einfachen zweischichtigen Hydrogel-Biegebalkens eine Untersuchung über die inneren Vorgänge im Schichtsystem durchgeführt. Die Untersuchung gewährt hierbei Einblicke z.B. in den zeitlichen Verlauf des elektrischen Potentials, der Konzentration mobiler Ionen sowie der resultierenden Verzerrungen. In einem abschließenden numerischen Beispiel wird die Kontaktkraft sowie die auftretenden mechanischen Spannungen in einem Greifersystem, bestehend aus zwei hydrogelbasierten Biegeaktoren, ausgewertet. Aim of this work is to model the behavior of polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems based on continuum mechanics. For this, numerical simulations are conducted to gain an insight into the complex phenomena occurring during the swelling process of hydrogels. The process of modeling and simulation is important to enhance the understanding of these systems and to improve the properties of hydrogel-based applications. Also, errors resulting from a lack of knowledge as well as from the number of required experimental works can be reduced significantly. Hydrogels belong to the class of smart materials. Therefore, they show a response to changes in their environment by a reversible change of material properties. Polyelectrolyte hydrogels consist of a polymer network with fixed ionic groups. Within the void of the polymer matrix, interstitial water containing mobile ions is present. The properties of hydrogels depend on their chemical composition and can be adjusted for the specified application. They exhibit a reversible swelling or deswelling process when subjected to electric fields or changes of the chemical composition of the surrounding solution bath. This reversible volume change opens a wide field of potential applications. The most promising field of application seems to be in the realms of measurement systems, since hydrogels can be used for the investigation of very specific chemical or biochemical measures. In addition, hydrogels can be used as active components in microfluidic devices, which open and close depending on the chemical composition of the bypassing fluid. Without a need for external control and energy supply, they are suitable for miniaturisation. As a consequence of their high energy density, hydrogels are also relevant candidates for the development of lightweight and energy efficient actuator systems. Due to their size-dependent reaction time, their use in small-scale actuatoric devices is the most promising in this field. the combination of multiple hydrogel layers can be used to increase the sensitivity of hydrogel-based measurement devices. Hydrogel-layer systems can also be used for actuatoric devices, such as gripper devices or microfluidic valves. In the presented model, the interaction between the electrical, chemical and the mechanical fields are respected. It is assumed, that the complex microstructure of hydrogels may be treated as a continuum and that the relevant phenomena can be described using field equations. A brief introduction on polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems is given. Here, their microstructure is described and relevant applications are summarized. By giving a brief literature review, the modeling approaches of this thesis are motivated and arranged within the field of existing models. After an introduction of relevant basics of physical chemistry, the model formulation is presented. Here, the chosen kinematics as well as the used balance equations and material laws are given. They include the conservation of mass for the polymer and the ionic species, the conservation of linear momentum and angular momentum as well as the Maxwell equations. After presenting suitable material laws, the field equations of the fully coupled chemo-electro-mechanical field problem are summarized. The numerical solution of the field problem is obtained by applying the Finite-Element-Method (FEM). The validation of the presented model is conducted by a comparison with experimental results of Frijns et al. After this, the used model is compared with the Theory of Porous Media (TPM), which results in a good agreement of both approaches. Since the used model represents an extension of the preliminary work of Wallmersperger et al. and Attaran et al., differences in the models are discussed. By extending the previous models by an additional temporal term in the description of the reference concentration, a qualitative improvement of the prediction of the time behavior under chemical stimulation is achieved. As done in preliminary works, the mechanical and the chemical domains are coupled by a strain dependent concentration of fixed charges. It can be shown, that this backcoupling is of significance also for small deformations. In contrast to the TPM and the Flory-Rehner model, phenomena occurring in the interface layer between adjacent domains can be investigated using the presented model. An almost linear dependence between the relative permittivity of the hydrogel and the thickness of the boundary layer is observed. It also depends on the concentration of fixed charges in the polymer network. To demonstrate the potential of the applied method, a numerical investigation of a two-layered hydrogel bending actuator is investigated. The results give an insight for example into the time-dependent distribution of the electric potential, the concentration of mobile ions as well as the resulting strains. In another numerical example, the contact force in a gripper consisting of two hydrogel-based bending actuators is evaluated.

In this work, a chemiresistor-type sensing platform based on aligned arrays of nitrogen-doped multi-walled carbon nanotubes (N-MWCNTs) was developed. Our N-MWCNT based sensors can be made on both rigid and flexible substrates; they are small, have low power consumption and are suitable for highly efficient and reliable detection of different biomolecules and gases, at room temperature. The performance of these sensors was demonstrated for avian influenza virus (AIV) subtype H5N1 DNA sequences and toxic gases NO and NH3 at low concentrations. In our study, chemical vapor deposition (CVD) method was applied to synthesize vertically aligned nitrogen doped carbon nanotube arrays on a large area (> 1 cm2) on Si/SiO2 substrate using Fe/Al2O3 layer as a catalyst and a mixture of ethanol and acetonitrile as a C/N source. Especially, the diameter, length, nitrogen-doping concentration and morphology of the nanotubes were controllably tailored by adjusting the thickness of catalyst film, reaction duration and temperature as well as the amount of nitrogen-containing precursor. For integrating N-MWCNTs into chemiresistor devices, we developed a direct contact printing method for a dry, controllable and uniform transferring and positioning of the CVD-grown vertical nanotubes onto well-defined areas of various rigid and flexible substrates. After horizontally aligned N-MWCNT arrays were formed on a target substrate, interdigitated metallic microelectrodes with an interspacing of 3 µm were deposited perpendicular to the nanotube alignment direction to fabricate chemiresistor devices for biomolecule and gas sensing. This way, well-aligned nanotubes were laid across the Au/Cr interdigitated electrode fingers, had a strong adhesion with the electrodes and served as conducting channels bridging the electrodes. The N-MWCNT based chemiresistor device was applied as a label-free DNA sensor for a highly sensitive and fast detection of AIV subtype H5N1 DNA sequences. For this, the nanotubes were functionalized with probe DNA, which was non-covalently attached to sidewalls of the N-MWCNTs via π-π interaction. Such functionalized sensors were applied to quantitatively detect complementary DNA target with concentration ranging from 20 pM to 2 nM after 15 min incubation at room temperature. The sensors showed no response to non-complementary DNA target for concentrations up to 2 µM showing an excellent selectivity. Investigations on the efficient gas sensing of N-MWCNT-based chemiresistor of reducing/ oxidizing gases NH3 and NO were also reported in this work. The aim was to assess the possibility for N-MWCNTs to be applied as innovative sensing materials for room temperature gas sensing. N-MWCNTs with varying doping levels (N/C ratio of 5.6 to 9.3at%) were used as sensing materials and exposed to NH3 (1.5-1000 ppm) and NO (50-1000 ppm) for exploring and comparing their sensing performance. This study offered an effective route for further modification of CNTs according to various sensing application. Finally, our investigations showed a high potential of the developed N-MWCNT-based sensing platform for various applications ranging from environmental monitoring to point-of-care medical diagnostics.

Die schaltbare Filtration mithilfe von Hydrogel'=Verbundmembranen zeigt großes Potential zur Lösung einer der grundlegenden Aufgaben in der Humanmedizin: der unkomplizierten und schnellen Analyse von Blutproben zur Erkennung von Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel zirkulierenden Tumorzellen. In der vorliegenden Arbeit wird ein solches System diskutiert und mithilfe von Methoden des Maschinenwesens -- Modellierung und Simulation -- untersucht. Das betrachtete System besteht aus einer aktiven Hydrogelschicht, welche auf einer passiven Polymerschicht aufgebracht ist und damit eine schaltbare Verbundmembran bildet. Die Arbeit folgt zwei Hauptpfaden: Im festkörpermechanischen Teil werden die mechanischen Aspekte von Verbundmembranen dargestellt, während im fluidmechanischen Teil die Permittivität und Selektivität von Membranen näher beleuchtet werden. Im Folgenden werden Modelle zur Schaltbarkeit ausgehend von aus der Literatur bekannten Ansätzen entwickelt. Diese werden dann im Rahmen von Simulationen -- sowohl im kommerziellen Finite-Elemente-Programm Abaqus, als auch in selbst geschriebenen Matlab-Codes -- umgesetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass ein schaltbares System zur Analyse von Zellgrößenprofilen realisierbar und durch Modellierung und Simulation in einem Maß beschreibbar ist, sodass der experimentellen Realisierung nichts mehr im Wege steht. Switchable filtration with hydrogel composite membranes shows great potential to solve one of the basic challenges in life sciences: the fast and easy analysis of blood samples to detect abnormal cells like e.g. circulating tumor cells. In the present work, a system providing these features is discussed using tools provided by engineering: modeling and simulation. The system consists of an active hydrogel composite membrane in combination with a passive polymeric membrane that provides mechanical stability. This forms a switchable composite membrane. The work follows two main paths: In the solid mechanics path, the composition of membranes and their mechanical aspects are discussed. The fluid mechanics path focuses on permittivity and selectivity for particle flows. Originating from the basic concepts of membrane permeation in literature, models for switchability are developed and simulations -- both in the commercial finite-element tool Abaqus and in Matlab scripts -- are performed. The present work proves that the concept of cell-size detection with switchable membranes is suitable for the task. Through the performed simulations, the corresponding processes can be described and designed so that the microfluidic analysis system can be experimentally realized.