On the Mechanics of Printed Electronics: Experimental and Numerical Investigations Using Cohesive Zone Models

Publication date
2018
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Heinrich, Felix
Advisor
Lammering, Rolf
Referee
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2018-11-14
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Structural Health Monitoring
Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
Intelligenter Werkstoff
Kohäsivzonenmodell
Smart Material
Cohesive Zone Model
Fracture Mechanic
Abstract
In this work, the mechanical behavior of multifunctional composites is investigated. Employed multifunctional composites consist of carbon fiber reinforced polymers which are equipped with printed electronics made of nanosilver inks. Methods to investigate the fracture behavior of these printed electronics are discussed. In particular, cohesive zone models are considered as a promising methodology and are examined regarding their applicability. Different experimental test setups are discussed and a double cantilever beam test and an end notched flexure test are identified as the most suitable designs. Experiments are performed and data is obtained that was not available to this extent in the literature before. The resulting data is processed and discussed. Complementary numerical simulations are performed in Abaqus, using bilinear traction-separation-laws. A custom Python script provides control over the automation of cohesive model parameter variation. Unknown cohesive model parameters are found through a combination of experimental post-processing and numerical inverse parameter identification. Cohesive zone models are identified as highly applicable to the investigation of the fracture behavior of multifunctional composites.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Untersuchung des mechanischen Verhaltens multifunktionaler Komposite. Die verwendeten multifunktionalen Komposite bestehen aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen, die mit gedruckter Elektronik aus Silbernanopartikeltinten versehen wurden. Methoden zur Untersuchung des Bruchverhaltens dieser gedruckten Elektronik werden diskutiert. Im Speziellen werden Kohäsivzonenmodelle als vielversprechende Methodik betrachtet und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit untersucht. Unterschiedliche experimentelle Versuchsaufbauten werden berücksichtigt, wobei ein Doppelkragträgerversuch und ein endgeschlitzter Dreipunktbiegeversuch als besonders geeignet identifiziert werden. Zugehörige Experimente werden durchgeführt und Versuchsdaten werden gewonnen, die in diesem Umfang bisher noch nicht in der Literatur verfügbar waren. Die gewonnenen Daten werden verarbeitet und diskutiert. Komplementäre numerische Simulationen werden in Abaqus durchgeführt, wobei bilineare traction-separation Materialgesetze zum Einsatz kommen. Ein Python Skript wird implementiert, um eine automatisierte Variation der Kohäsivzonenmodellparameter zu ermöglichen. Die unbekannten Kohäsivzonenmodellparameter werden durch eine Kombination aus experimenteller Datenaufbereitung und numerischer inverser Parameteridentifikation bestimmt. Die Anwendbarkeit von Kohösivzonenmodellen zur Beschreibung des Bruchverhaltens multifunktionaler Komposite wird bestätigt.
Version
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