A 3D finite-strain finite element model for ionic polymers with shape memory effects

The so called “smart materials” have recently attracted the attention of researchers due to their unique properties. However, their exploitation is still limited by the lack of models for the description of their behaviour or by the impossibility to use existing models for design. In this work, a new model for the description of ionic polymers with shape memory effects is proposed, following the discovery of this effects in the commercial ionic polymer Nafion™. This model represents one of the first attempts to describe the overall electro-chemo-thermo-mechanical behaviour of these materials. The conservation laws are obtained through a continuum thermodynamics approach. Due to the multiphysics nature of the problem, the constitutive equations are computed beginning from an appropriate choice of the Helmholtz free-energy function, from which they are recovered by means of the Coleman-Noll procedure. The free-energy function is obtained by modifying and linking properly already existing models from the literature for the description of electromechanics effects in ionic polymers and of shape memory polymers. This model is implemented in the commercial finite element software Abaqus™ through an user-defined element (UEL), in order to create a tool useful for practical projects of actuators based on these materials. The code is finally validated by means of a comparison with data obtained from literature and from an experimental part of the thesis, in which tests to study the shape memory behaviour of the commercial ionic polymer Nafion™ have been performed.

I cosidetti “materiali intelligenti” hanno recentemente attratto l’attenzione dei ricercatori a causa delle loro proprietà uniche. Il loro utilizzo è però ancora limitato dalla mancanza di modelli per la descrizione del loro comportamento o dall’impossibilità di utilizzare i modelli esistenti per la progettazione. In questo lavoro viene proposto un nuovo modello per la descrizione del comportamento di polimeri ionici a memoria di forma, a seguito della scoperta di quest’ultimo effetto nel polimero ionico commerciale Nafion™. Questo modello rappresenta uno dei primi tentativi di descrivere il comportamento accoppiato meccanico, chimico, elettrico e termico di questi materiali. Le leggi di conservazione vengono ottenute tramite l’approccio tipico della termodinamica del continuo. A causa della natura multifisica del problema, le equazioni costitutive vengono calcolate a partire da un’opportuna scelta dell’energia libera di Helmholtz, da cui esse sono ottenute tramite la procedura di Coleman-Noll. L’energia libera viene costruita modificando e interfacciando opportunamente modelli già esistenti in letteratura per la descrizione degli effetti elettromeccanici dei polimeri ionici e di quelli per i polimeri a memoria di forma. Il modello ottenuto è stato implementato nel software a elementi finiti Abaqus™ tramite un elemento definito dall’utente (UEL), in modo da creare uno strumento utile per la progettazione pratica di attuatori con questi materiali. Il codice è stato infine validato attraverso il confronto con dati ottenuti dalla letteratura e da una parte sperimentale della tesi in cui sono state eseguite indagini sull’effetto a memoria di forma del polimero ionico Nafion™.