Aufgrund der zunehmenden technischen Ansprüche der Gesellschaft sind sich aktiv bewegende Polymere in den Mittelpunkt aktueller Forschung gerückt. Diese spielen bei Anwen-dungen im Bereich von künstlichen Muskeln und Implantaten für die minimal invasive Chirurgie eine wichtige Rolle. Vor allem Formänderungs- und Formgedächtnispolymere stehen dabei im wissenschaftlichen Fokus. Während die kontaktlose Deformation einer permanenten Form in eine temporäre metastabile Form, charakteristisch für Formände-rungspolymere ist, kann bei Formgedächtnis-Materialien die temporäre Form, aufgrund der Ausbildung reversibler, temporärer Netzpunkte, fixiert werden. Ein Polymermaterial, das eine Kombination beider Funktionen aufweist würde zu einem Material führen welches kontaktlos in eine temporäre Form deformiert und in dieser fixiert werden kann. Zusätzlich würde aufgrund der kontaktlosen Deformation die Reversibilität dieser Funktion gewähr-leistet sein. Ein solches Material ist bislang noch nicht beschrieben worden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob durch die Kopplung zweier separat schaltbarer, be-kannter Funktionen eine neue schaltbare Funktion erzielt werden kann. Daher wurden multi-stimuli sensitive Materialien entwickelt die eine Kopplung des Formänderungs- und des Formgedächtniseffektes aufweisen. Dazu wurden zwei Konzepte entwickelt, die sich hinsichtlich der Reihenfolge der verwendeten Stimuli unterscheiden. Im ersten Konzept wurden flüssigkristalline Elastomere basie-rend auf Azobenzenderivaten aufgebaut und hinsichtlich der Kombination des licht-induzierten Formänderungseffektes mit dem thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt untersucht. Diese orientierten Netzwerke weisen oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) eine kontaktlose Verformung (Biegung) durch Bestrahlung mit UV-Licht des geeigneten Wellenlängenbereichs auf, wodurch eine temporäre Form erhalten wurde. Hierbei spielt der Vernetzungsgrad eine entscheidende Rolle bezüglich der Ausprägung dieser Biegung. Eine fixierte, temporäre Form konnte durch gleichzeitiges Abkühlen des Materials unterhalb von Tg während der Bestrahlung mit UV-Licht erhalten werden. Nach erneutem Aufheizen über Tg konnte die Originalform wiederhergestellt werden. Dieser Vorgang konnte reversibel durchgeführt werden. Damit wurde gezeigt, dass eine neue schaltbare Funktion erzielt wurde, die auf der Kopplung des lichtinduzierten Formänderungs- mit dem thermisch-induzierten Formgedächtniseffekt basiert. Die Abstimmung der einzelnen Funktion wird in diesem Konzept über die Morphologie des Systems gewährleistet. Diese neue Funktion ermöglicht eine kontaktlose Deformation des Materials in eine temporäre Form, welche fixiert werden kann. Im zweiten Konzept wurde eine Kopplung des thermisch induzierten Formänderungs- mit dem licht-induzierten Formgedächtniseffekt angestrebt. Um dies zu realisieren wurden nematisch, flüssigkristalline Hauptkettenelastomere (NMC-LCE) entwickelt, die eine nied-rige Übergangstemperatur der nematischen in die isotrope Phase (TNI), als auch einen aus-geprägten thermisch induzierten Formänderungseffekt aufweisen. Zusätzlich wurde eine photosensitive Schicht aufgebaut, die Cinnamylidenessigsäuregruppen in der Seitenkette eines Polysiloxanrückgrates aufweist. Die Reversibilität der photoinduzierten [2+2]-Cycloaddition konnte für dieses photosensitive Polymer beobachtet werden, wodurch die-ses Polymersystem in der Lage ist reversible temporäre Netzpunkte, aufgrund der Bestrah-lung mit UV-Licht, auszubilden. Die kovalente Anbindung der photosensitiven Schicht an die Oberfläche des flüssigkristallinen Kerns wurde erfolgreich durchgeführt, wodurch ein Multi-Komponenten-System aufgebaut wurde. Die Kombination des thermisch-induzierten Formänderungs- mit dem licht-induzierten Formgedächtniseffektes wurde anhand dieses Systems untersucht. Während die Einzelkomponenten die erforderliche Funktion zeigten, ist hier noch Arbeit in der Abstimmung beider Strukturen zu leisten. Insbesondere die Variation der Schichtdicken beider Komponenten steht im Fokus zukünftiger Arbeiten. In dieser Arbeit wurde durch die Kopplung von zwei separat schaltbaren, bekannten Funktionen eine neue schaltbare Funktion erzielt. Dies setzt voraus, dass die Einzelkomponenten hinsichtlich einer Funktion schaltbar sind und in einem Material integriert werden können. Des Weiteren müssen die beiden Funktionen mit unterschiedlichen Stimuli geschaltet werden. Ein wichtiger Schritt bei der Kopplung der Funktionen, ist die Abstimmung der beiden Komponenten. Dies kann über die Variation der Morphologie oder der Struktur erzielt werden. Anhand der Vielzahl der vorhandenen stimuli-sensitiven Materialien sind verschiedene Kopplungsmöglichkeiten vorhanden. Demnach wird erwartet, dass auf diesem Gebiet weitere neue Funktionen erzielt werden können. / Actively moving polymers are high scientific significance due to their ability to move actively in response to an external stimulus. Most notably shape-change and shape-memory polymers are in the focus of current research. Shape-changing polymers exhibit a non-contact deformation from a permanent into a temporary shape, which is just stable as long the material is exposed to an external stimulus. In contrast shape-memory polymers are capable of a fixed temporary shape due to the formation of additional temporary netpoints, while the deformation is proceed by applying mechanical stress. A polymeric material, which combines both functions would result into a material that possesses the advantages of the shape-change, as well as the shape-memory effect. In this work, the coupling of two known functions is investigated which results into a new switchable function. Therefore, two different concepts were developed requiring different material structures. For the first concept monodomain, smectic liquid-crystalline elastomers (LCE) containing azobenzene moieties were prepared and the coupling of the light-induced shape-change with the thermally-induced shape-memory effect was investigated. These oriented LCE's exhibit a non-contact deformation into a temporary shape, above the glass transition temperature (Tg), due to the irradiation with UV-light. The temporary shape could be fixed by cooling the material below Tg, while the irradiation with light was kept constant. The permanent shape could be recovered by additional heating above Tg. This process could be repeated several times. Therefore, a new switchable function was developed, which based on the coupling of the light-induced shape-change with the thermally induced shape-memory effect. The second concept required a multi-component system and the coupling of the thermally-induced shape-memory withe the light-induced shape-change effect was investigated. The multi component system consists of a LCE-core and a photosensitive layer. Nematic, main-chain elastomers were prepared, which possess of low transition temperatures and high actuation performances. The photosensitive layer consists of cinnamylidene acetic moieties, that were attached to a siloxane backbone, while the photoreversibility of the light-induced [2+2]-cycloaddition was shown. Furthermore, the photosensitive layer was covalently attached to the surface of the LCE-core. While both components showed their functionality, the coupling of the thermally-induced shape-change with the light-induced shape-memory effect was not successful up to now. The Adjustment of both components on each other has to be improved. Mainly the variation of the layer thickness of both structural components should be in the focus of future work.

The aim of this work is to develop and validate a continuum model for the simulation of the thermomechanical response of a shape memory polymer (SMP). Rather than integral type viscoelastic model, the approach here is based on the idea of two inter-penetrating networks, one which is permanent and the other which is transient together with rate equations for the time evolution of the transient network. We find that the activation stress for network breakage and formation of the material controls the gross features of the response of the model, and exhibits a "thermal Bauschinger effect". The model developed here is similar to a thermoviscoelastic model, and is developed with an eye towards ease of numerical solutions to boundary value problems. The primary hypothesis of this model is that the hysteresis of temperature dependent activation-stress plays a lead role in controlling its main response features. Validation of this hypothesis is carried out for the uniaxial response from the experimental data available in the literature for two different SMP samples: shape memory polyurethane and Veriflex, to show the control of the evolution of the temperature sensitive activation stress on the response. We extend the validated 1D model to a three dimensional small strain continuum SMP model and carry out a systematic parameter optimization method for the identification of the activation stress coefficients, with different weights given to different features of the response to match the parameters with experimental data. A comprehensive parametric study is carried out, that varies each of the model material and loading parameters, and observes their effect on design-relevant response characteristics of the model undergoing a thermomechanical cycle. We develop "response charts" for the response characteristics: shape fixity, shape recovery and maximum stress rise during cooling, to give the designer an idea of how the simultaneous variation of two of the most influential material parameters changes a specific response parameter. To exemplify the efficacy of the model in practical applications, a thermoviscoelastic extension of a beam theory model will be developed. This SMP beam theory will account for activation stress governed inelastic response of a SMP beam. An example of a three point bend test is simulated using the beam theory model. The numerical solution is implemented by using an operator split technique that utilizes an elastic predictor and dissipative corrector. This algorithm is validated by using a three-point bending experiment for three different material cases: elastic, plastic and thermoplastic response. Time step convergence and mesh density convergence studies are carried out for the thermoviscoelastic FEM model. We implement and study this model for a SMP beam undergoing three-point bending strain recovery, stress recovery and cyclic thermomechanical loading. Finally we develop a thermodynamically consistent finite continuum model to simulate the thermomechanical response of SMPs. The SMP is modeled as an isotropic viscoplastic material where thermal changes govern the evolution of the activation stress of the material. The response of the SMP in a thermomechanical cycle is modeled as a combination of a rubbery and a glassy element in series. Using these assumptions, we propose a specific form for the Helmholtz potential and the rate of dissipation. We use the technique of upper triangular decomposition for developing the constitutive equations of the finite strain SMP model. The resulting model is implemented in an ODE solver in MATLAB, and solved for a simple shear problem. We study the response of the SMP model for shear deformation as well as cyclic shear deformation at different initial temperatures. Finally, we implement the thermomechanical cycle under shear deformations and study the behavior of the model.

The objective of this research is to thoroughly investigate the shape memory effect in polymers, characterize, and optimize these polymers for applications in information storage systems. Previous research effort in this field concentrated on shape memory metals for biomedical applications such as stents. Minimal work has been done on shape memory poly- mers; and the available work on shape memory polymers has not characterized the behaviors of this category of polymers fully. Copolymer shape memory materials based on diethylene glycol dimethacrylate (DEGDMA) crosslinker, and tert butyl acrylate (tBA) monomer are designed. The design encompasses a careful control of the backbone chemistry of the materials. Characterization methods such as dynamic mechanical analysis (DMA), differential scanning calorimetry (DSC); and novel nanoscale techniques such as atomic force microscopy (AFM), and nanoindentation are applied to this system of materials. Designed experiments are conducted on the materials to optimize spin coating conditions for thin films. Furthermore, the recovery, a key for the use of these polymeric materials for information storage, is examined in detail with respect to temperature. In sum, the overarching objectives of the proposed research are to: (i) design shape memory polymers based on polyethylene glycol dimethacrylate (PEGDMA) and diethylene glycol dimethacrylate (DEGDMA) crosslinkers, 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and tert-butyl acrylate monomer (tBA). (ii) utilize dynamic mechanical analysis (DMA) to comprehend the thermomechanical properties of shape memory polymers based on DEGDMA and tBA. (iii) utilize nanoindentation and atomic force microscopy (AFM) to understand the nanoscale behavior of these SMPs, and explore the strain storage and recovery of the polymers from a deformed state. (iv) study spin coating conditions on thin film quality with designed experiments. (iv) apply neural networks and genetic algorithms to optimize these systems.