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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-40378
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/4037/


Henrich, Björn

Partikelbasierte Simulationsmethoden in Pulvertechnologie und Nanofluidik

Particle methods in powder technology and nanofluidics

Dokument1.pdf (4.865 KB) (md5sum: a76220cfe5c71237c9cbb724a0fb4648)

Kurzfassung in Deutsch

Im ersten Teil wird die Anwendung partikelbasierter Simulationsmethoden auf pulvertechnologische Prozesse vorgestellt. Konkret wird die Erzeugung realistischer Startkonfigurationen, das Matrizenpressen und das Festphasensintern betrachtet; der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Sintern. Der partikelbasierte Zugang erlaubt auf einfache Art und Weise die Auswertung interner Größen wie die Koordinationszahl und die radiale Paarverteilungsfunktion; diese sind in guter Übereinstimmung mit experimentellen Befunden. Das Hauptaugenmerk des Kapitels liegt auf dem Einfluss von Kornumordnungen auf makroskopische Eigenschaften wie die Spannungs-Dehnungs-Kurve beim Matrizenpressen und die Verdichtungsrate beim Sintern. Darüber hinaus wird im Falle des Sinterns der Einfluss von Trägheit diskutiert und ein konkretes Beispiel zur Gefügevorhersage betrachtet: Risswachstum unter geometrischen Einschränkungen für Filme niedriger Dichte.
Im zweiten Teil wird ein neuer Ansatz für die Behandlung von fest-flüssig Grenzflächen im Rahmen dissipativer Teilchendynamik präsentiert. Die feste Phase wird dabei als ein amorphes, thermisch raues Ensemble von Teilchen modelliert. Auf diese Weise können Artefakte herkömmlicher Wandmodelle vermieden werden. Dieser Zugang erlaubt eine leichte Einstellung statischer Kontaktwinkel für komplexe Benetzunsphänomene. Das physikalische Verhalten dieses Wandmodells wird für Poiseuille- und Couetteflussrandbedingungen, erzwungene Benetzung und den dynamischen Kontaktwinkel untersucht. Darüber hinaus wird die kapillare Befüllung aus einem Reservoir simuliert, die mittels einer Erweiterung der Lucas-Washburn-Gleichung unter Hinzunahme des dynamischen Kontaktwinkels und von Trägheitstermen beschrieben werden kann.
Im letzten Teil werden die Ergebnisse groß angelegter atomistischer Molekulardynamik-Simulationen von flüssigem Propan auf Goldoberflächen dargestellt. Zwei unterschiedliche Benetzungsprozesse werden betrachtet: Die kapillare Befüllung und die erzwungene Benetzung einer Kapillare durch einen Stempel für verschiedene Kapillarzahlen. Die atomistische Beschreibung wird durch eine quantitative kontinuumsmechanische Modellierung im Rahmen eines Lubrikationsansatzes ergänzt, welche atomare Prozesse wie ein ortsabhängiges Schlupfprofil und einen voraus eilenden Flüssigkeitsfilm berücksichtigt. Dieser Ansatz führt im Falle der kapillaren Befüllung zu einer erweiterten Lucas-Washburn-Gleichung und im Falle der stempelgetriebenen Benetzung zu einer Beschreibung der kapillaren Menisken für niedrige Kapillarzahlen, welcher für beide Situationen zu einer guten Übereinstimmung mit den Simulationsresultaten führt. Hierbei zeigt sich, dass für eine detaillierte Beschreibung der Flüssigkeit in unmittelbarer Nähe der Wand der strukturelle Anteil des Trennungsdrucks berücksichtigt werden muss, der zu einer ausgeprägten Lagenstruktur führt, wodurch auch eine zwanglose Auflösung des Huh-Scriven-Paradoxons ermöglicht wird.


Kurzfassung in Englisch

In the first part the application of the discrete element method to powder technological processes is presented. The generation of realistic random initial configurations, powder compaction and solid-state sintering are considered. Emphasis is laid on the sintering process. By means of this method, internal properties such as coordination numbers and the pair correlation function are directly accessible and compare well with experimental data. The simulation scheme also enables investigation of how grain rearrangements influence macroscopic properties such as the stress-strain curve during powder compaction and the densification rate during sintering. Furthermore, in the case of sintering the role of inertia is discussed and crack formation during constrained sintering of low density films is examined.
In the second part a novel method for the treatment of solid-liquid interfaces in the framework of dissipative particle dynamics is presented. The solid is represented by an amorphous, thermally rough ensemble of particles. With this approach artefacts of existing wall models can be avoided. An adjustable static contact angle permits the convenient study of complex wetting phenomena. The physical behaviour of this boundary model with respect to bulk Poiseuille and Couette flow as well as forced wetting and the behaviour of dynamic contact angles is explored. In addition, capillary imbibition out of a finite reservoir is simulated. The associated dynamics is consistently described by the Lucas-Washburn equation augmented by expressions that account for inertia and the influence of the dynamic contact angle.
In the final part the results of large-scale atomistic molecular dynamics simulations of liquid propane on gold surfaces are presented. Two distinct wetting processes are considered: capillary imbibition and forced wetting in a capillary under the action of a piston for different capillary numbers. The atomistic description is related to quantitative continuum models which are obtained from lubrication equations which include atomistic effects such as a spatial resolved slip profile and an advancing precursor. This ansatz leads to an extended Lucas-Washburn equation in the case of capillary impregnation and to a description of capillary menisci for low capillary numbers in the case of forced wetting which compare well with simulations in both situations. It turns out that a proper description of the liquid in the vicinity of the wall requires the structural part of the disjoining pressure. This term give rise to molecular ordering of the liquid near the wall which also resolves the Huh-Scriven paradox in a natural manner.


SWD-Schlagwörter: Molekulardynamik , Dynamische Modellierung , Vielteilchentheorie, Sintern, Benetzung
Freie Schlagwörter (deutsch): Pulvertechnologie , Dissipative Teilchendynamik , Grenzflächen
Freie Schlagwörter (englisch): particle methods , powder technology , vacuum-liquid interfaces , liquid-solid interfaces , dynamic wetting
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Moseler, Michael (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.12.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 11.01.2008
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