Projekti / Programi
Vedenje disipativnih sistemov pri ekstremnih termo-mehanskih obremenitvah
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.05.02 |
Tehnika |
Mehanika |
Eksperimentalna mehanika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
mehanika disipativnih sistemov, časovno odvisno vedenje materialov, vedenje materialov pri hitrih obremenitvah, vedenje materialov pri cikličnih obremenitvah
Raziskovalci (15)
Organizacije (3)
Povzetek
Končni cilj projekta je razvoj tehnologije, ki z izkoriščanjem ekstremnih termo-mehanskih robnih pogojev sproži nelinearne procese formiranja polimerne strukture, ki vodi do strukturnih oblik v materialu, ki izkazujejo za velikostne razrede različne mehanske in druge fizikalne lastnosti. Takšna tehnologija npr. omogoča izdelovanje izdelkov z gradientno strukturo.
Učinkovitost razvite tehnologije bo preverjena preko izdelave prototipnih cilindričnih polimernih vzorcev z različnimi stopnjami gradientnosti in različnimi gradientnimi mehanskimi lastnostmi.
Gradientna funkcionalnost je pomembna tako v primeru medicinskih (ortopedski in dentalni vsadki) kot tudi v primeru inženirskih aplikacij (npr. ležaji) ter drugih aplikacij, pri katerih igra gradientna funkcionalnost pomembno vlogo (npr. novejše tehnologije MEMS in NEMS).
Z znanstvenega vidika razvoj tovrstne tehnologije zahteva razumevanje interakcij na različnih skalah; med makroskopskimi robnimi pogoji in nano molekularnimi prerazporeditvami v materialu. Materiali, ki so bolj občutljivi na manjše variacije robnih pogojev, so zato z vidika omenjenih aplikacij bolj zaželjeni.
Izhodišče predlaganega projekta predstavlja nova generacija multimodalnih poliamidnih materialov, katerih razvoj temelji na patentno zaščitenem tehnološkem preboju, ki je bil dosežen v sklopu večletnega sodelovanja Centra za eksperimentalno mehaniko in nemškega koncerna BASF Aktiengesellschaft. Ti materiali izkazujejo izjemno nelinearno vedenje in so pri določenih termo-mehanskih robnih pogojih (visokih tlakih in hitrih spremembah temperature in tlaka) sposobni formiranja zelo različnih struktur, ki izkazujejo za velikostne razrede drugačne lastnosti in celo gradientno funkcionalnost.
Predlagani projekt je razdeljen v tri delovne sklope:
1) Delovni sklop 1 (WP1): Teoretične napovedi
2) Delovni sklop 2 (WP2): Procesiranje gradientnih materialov pod vplivom ekstremnih pogojev
3) Delovni sklop 3 (WP3): Karakterizacija gradientnih materialov
V teoretičnem delu projekta (WP1) bomo v prvi fazi obravnavali obstoječa nelinearna viskoelastična modela s spremenljivko notranjega materialnega časa za matematični popis vpliva termo-mehanskih robnih pogojev na časovno odvisno vedenje polimera v talini in trdnem stanju. Konstitutivni modeli kakor tudi eksperimentalne in numerične tehnike, razvite s strani naše skupine v preteklem obdobju predstavljajo celovit nabor orodij za preučevanje in razumevanje vpliva ekstremnih termo-mehanskih robnih pogojev na vedenje konstrukcijskih polimerov v trdnem stanju v daljšem časovnem obdobju.
Z ustreznimi termo-mehanskimi robnimi pogoji (tehnologijo) lahko torej spreminjamo strukturo materiala, ki je posledica nelinearnih interakcij procesov reorganizacije polimernih verig na različnih časovno-prostorskih skalah, od nano- do makro skale. S tem lahko spremenimo fizikalne lastnosti materiala tudi za več velikostnih razredov! Procesiranje polimernih materialov pod vplivom ekstremnih termo-mehanskih robnih pogojev bo izvedeno v sklopu WP2, medtem ko vrednotenje doseženih različnih stopenj gradientnosti in karakterizacija različnih fizikalnih lastnosti v sklopu WP3.
S spreminjanjem materialne strukture z različnimi termo-mehanskimi zgodovinami predelave lahko izboljšamo funkcionalnost in trajnost izdelkov, kar predstavlja osnovo za povečanje dodane vrednosti vsakega izdelka.
Tako je namen predlaganega projekta približati bazična znanja na področjo mehanike disipativnih sistemov, še posebej nelinearne mehanike časovno odvisnih materialov, bliže k aplikaciji preko razvoja tehnologije, ki bo omogočala izdelovanje izdelkov in konstrukcijskih elementov z gradientno strukturo ter posledično z gradientnimi mehanskimi lastnostmi in gradientno funkcionalnostjo.
Pomen za razvoj znanosti
Projekt je obravnaval polimere kot disipativne sisteme. Disipativne sisteme lahko definiramo kot “odprte sisteme”, ki delujejo daleč stran od termodinamskega ravnovesja. To definicijo je postavil Prigogine in pomeni, da disipativni sisitemi zahtevajo določeno količino energije za vzdrževanje svoje strukturne oblike. Ugotovil je, da ne glede na raven opazovanja, eno samo fizikalno telo ne more disipirati energije. Zato disipacija izhaja iz interakcije med telesi ali pa procesi, ki potekajo hkrati in vplivajo en na drugega. Polimeri so sestavljeni iz molekul (t.j., več teles) različnih dolžin/mas, ki medsebojno vplivajo, zaradi česar jih lahko obravnavamo kot tipične predstavnike disipativnih sistemov. V skladu s tem bo inherentna struktura polimerov odvisna od njihove porazdelitve molekulske teže in robnih pogojev, katerim je material izpostavljen med procesom strjevanja in kasneje v času uprabe. Uporaba različnih “tehnoloških poti” v fazi strjevanja lahko vodi v zelo različne strukturne oblike materiala, ki izkazujejo za velikostni razred različne fizikalne lastnosti, le te pa se bodo s časom spreminjale. Zato so polimeri “časovno – odvisni materiali”. V sklopu tega projekta smo razvili in izdelali analitična, tehnloška in eksperimentalna orodja, potrebna za izdelavo polimernih delov in izdelkov z zelo različnimi inherentnimi strukturami, ki izkazujejo za velikostne rarede različne fizikalne lastnosti. S spremembo fizikalnih lastnosti materialov bo spremenjena tudi končna funkcionalnost izdelkov. To je še zlasti uporabno v medicini, na primer za izdelavo zobnih vsadkov z gradientno strukturo, ki na eni strani posnemejo lastnosti kosti na drugi strani pa so zelo togi. Primer takega izdelka je zobni vsadek, ki na razadlji 4mm izkazuje lastnosti, ki se v primeru deformabilnosti razlikujejo za 400%, v primeru togosti pa več kot 200%. V sklopu prvega dela projekta smo nadgradili Knauss-Emri (KE) model v Knauss-Emri-Liechtie (KEL) model, ki omogoča bolj natančno napoved nelinearnega, časovno – odvisnega vedenja polimerov in njihovih nano-, mikro- in makro- kompozitov. Ta del raziskav je bil opravljen v tesnem sodelovanju s skupino prof. Liechtieja iz University of Texas, Austin. Nelinearni viskoelastični konstitutivni model (KEL) je bil vključen v subrutino programskega paketa ABAQUS. Trenutno je KEL prvi ne-linearni viskoelastični model, ki je vključen v ABAQUS in za katerega menimo, da predstavlja prvi pomemben znanstveni prispevek projekta. Razvito računsko orodje je bilo uporabljeno za napoved ekstremnih termo-mehanskih robnih pogojev, katerim je v procesu strjevanja material izpostavljen, z namenom doseganja ekstremnih variacij mehanskih lastnosti v trdnem stanju. Z uporabo teh robnih pogojev so bili pripravljeni vzorci poliamida in termoplastičnega poliuretana z različno gradientno strukturo. Razvita tehnolgija za proizvodnjo inženirskih strukturnih elementov, kot so na primer zobniki ali pa zobni vsadki, z želenimi mehanskimi časovno – odvsnimi (gradientnimi) lastnosti, je drugi dosežek tega projekta. Pripravljeni vzorci z različno gradientno strukturo so bili nazadnje izmerjeni na podlagi njihovih časovno – odvisnih in ostalih fizikalnih lastnosti. Ugotovljeno je bilo, da tehnologija, ki smo jo razvili dovoljuje izdelavo takšnih vsadkov, ki na razdalji 4 izkazujejo popolnoma drugačne mehanske lastnosti (deformabilnost in togost). Kolikor nam je znano so to prvi polimerni zobni implantati z gradientno strukturo na svetu. Poleg tega pa smo tudi pokazali, da je s spremembo gradientne strukture mogoče nadzorovati hitrost absorpcije in desorbcije zdravil v prosti volumen materiala. Ti izsledki so vodili v ustanovitev nove raziskovalne smeri, kjer je cilj projekta razvoj biorazgradljivih polimernih kontejnerjev za lokalno depozicijo zdravilnih učinkovin.
Pomen za razvoj Slovenije
Analitična, tehnološka in eksperimentalna orodja, razvita v sklopu projekta, predstavljajo znaten intelektualni potencial, ki i lahko vodil v tehnološki preboj na različnih področjih inženirstva, kjer polimeri prevzemajo dominantno vlogo kot strukturni materiali. Primer takšnih produktov so ne-mazani zobniki, ki se pogosto uporabljajo v farmacevtski in prehrambni industriji ter pri proizvodnji kuhinjskih aparatov. Najbolj obetavna tržna niša so zobni in ortopedski vsadki in nova generacija kontejnerjev za dostavo zdravilnih učinkovin, ki omogočajo dostavo kemoterapevtske učinkovine neposredno v maligni tumor. S takšnim pristopom premagamo problem prenizke koncentracije zdravila v tumorju in hkrati previsoke koncentracije zdravila v zdravem tkivu. Kontejnerji za zdravila izkoriščajo prosti volumen materiala kot prostor kamor se zdravilo shrani. Z nadzorovanjem inherentne materialne strukture je nato mogoče nadzorovati hitrost sproščanja zdravila. Te polimerne kontejnerje je mogoče vstaviti direktno vv mehko tkivo in/ali v kost ali tumor. Prav tako pa je uporaba takšnih kontejnerjev mogoča tudi pri zdravih tkivih. Vsako kemoterapevtsko ali pa ciljno zdravilo je lahko uporabljeno kot aktivna substanca. Poleg tega je mogoča uporaba principa polikemoterapije, kjer se uporabi kombinacija kemoterapevtskih zdravil. Nadaljnje aktivnosti tega projekta so nas vodile tudi v formiranje interdisciplinarne inovativne skupine, v sestavi vodilnih slovenskih ekspertov. Ti eksperti združujejo vsa potrebna znanja in izkušnje, ki so potrebna, da se zobni in ortopedski vsadki ter kontejnerji za lokalno dostavo zdravil uspešno plasirajo na svetovni trg. Takšna pobuda in aktivnosti bi lahko privedle do pomembnega končnega tehnološkega preboja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
