Numerische und experimentelle Untersuchung des gekoppelten chemo-elektro-mechanisch, visko-hyperelastischen Verhaltens von Hydrogelen für Aktor- und Sensoranwendungen

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Stimulierbare Hydrogele sind zähelastische Materialien, deren Eigenschaften wie hohe Quell-/ Dehnfähigkeit optimale Voraussetzungen für die Anwendung als Stellglieder oder Energiewandler, z.B. in der Medizintechnik oder im Leichtbau, bieten. Der vorliegende Antrag betrifft die Nutzung dieser Materialien als mikrotechnische Aktoren und Sensoren. Ziel des Forschungsprojektes ist es, durch die Verbesserung der Herstellungstechnologie von Hydrogelschichten und durch die Optimierung der Aktor- und Sensorarbeitsregime die Genauigkeit und Stabilität von entsprechenden mikrotechnischen Elementen zu erhöhen. Der komplexe Einfluss chemischer Reaktionen in den gequollenen Hydrogelen und an den Hydrogel-Elektrode-Luft/ Lösungsmittel-Grenzflächen auf die Prozesskinetik soll numerisch und experimentell untersucht werden. Die Ergebnisse sollen helfen, die Langzeitstabilität solcher Aktoren und Sensoren zu verbessern und Reproduzierbarkeit der Eigenschaften stimulierbarer Hydrogele zu erhöhen. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Quell verhalten der elektrisch stimulierbaren polyelektrolytischen Hydrogele in Abhängigkeit von elastomechanischen und elektrischen Hydrogel- Eigenschaften sowie von elektrischem Feld, Temperatur, Quellmittel-Parametern (pH-Wert, lonenstürke) und Diffusionsverhalten der beweglichen Ionen in den Hydrogelen. Mittels eines chemoelektro- mechanischen Modells sollen die Quellungskinetik sowie die lonenflüsse in den Hydrogelen untersucht werden. Hierzu soll das Modell um Geschwindigkeiten der chemischen Reaktionen und des Temperatureinflusses erweiten und mit experimentell gewonnenen Parametern kalibriert werden. Damit lassen sich dann Simulationsrechnungen durchführen und mittels Demonstratoren verifizieren. Aus den numerischen und experimentellen Untersuchungen lassen sich dann optimierte Aktorkonfigurationen gewinnen.