The relatively recent discovery of the giant electrocaloric effect in ferroelectric ceramics may lead to new solid state cooling technologies that are energy efficient, reliable, portable, and environmentally friendly. This phenomenon, along with many other novel field-coupled properties of ferroelectrics, such as piezoelectricity, pyroelectricity, the electro-optic effect, phase changes, and polarization switching, make these materials useful for a wide range of technological applications including sensors, ultrasound, infrared cameras, sonar, diesel engine fuel injectors, ferroelectric random access memory, electro-optic modulators, vibration control, and electrocaloric cooling devices. Most of world’s current cooling and refrigeration technology is based upon the vapor-compression cycle of a refrigerant. Refrigeration systems that are based on this technology are bulky, require moving parts in the compressor and some of them have a less than optimal environmental impact. Thin film devices that utilize the electrocaloric effect could have a significant impact on refrigeration, heat pumps, air conditioning, energy scavenging, and computer cooling systems. Especially for the latter ones, the fan-based solutions are not likely to be able to keep up with the increases in computing power and the resulting current densities in integrated circuits. The ability to make quantitative predictions of the behavior of ferroelectric structures is of significant importance given the experimental efforts on the synthesis of barium titanate nanodots, nanorods, nanowires, and nanotubes, and lead zirconate titanate (PZT) thin films, and nanoparticles, and the potential for technological applications of these structures. The research contained herein implements a full thermo-electro-mechanical continuum framework and numerical methods based on phase-field modeling to study the domain and phase structure evolution associated with the electrocaloric effect in barium titanate ferroelectric nanodots. / text

Polymer-modified bitumen (PMB) is a high-performance material for road construction and maintenance. But its storage stability and phase separation behaviour are still not sufficiently understood and need to be studied toward a more successful and sustainable application of PMB. In this thesis, the equilibrium thermodynamics and phase separation dynamics of PMB are investigated with the aim at a fundamental understanding on PMB storage stability and phase separation behaviour. The development of polymer modifiers for paving bitumen is reviewed. The phase separation process in unstable PMBs is captured by fluorescence microscopy at the storage temperature (180 °C). A coupled phase-field model of diffusion and flow is developed to simulate and predict the PMB storage stability and phase separation behaviour. The temperature dependency of PMB phase separation behaviour is modelled by introducing temperature-dependent model parameters between 140 °C and 180 °C. This model is implemented in a finite element software package and calibrated with the experimental observations of real PMBs. The results indicate that storage stability and phase separation behaviour of PMB are strongly dependent on the specific combination of the base bitumen and polymer. An unstable PMB starts to separate into two phases by diffusion, because of the poor polymer-bitumen compatibility. Once the density difference between the two phases becomes sufficiently significant, gravity starts to drive the flow of the two phases and accelerates the separation in the vertical direction. The proposed model, based on the Cahn-Hilliard equation, Flory-Huggins theory and Navier-Stokes equations, is capable of capturing the stability differences among the investigated PMBs and their distinct microstructures at different temperatures. The various material parameters of the PMBs determine the differences in the phase separation behaviour in terms of stability and temperature dependency. The developed model is able to simulate and explain the resulting differences due to the material parameters. The outcome of this study may thus assist in future efforts of ensuring storage stability and sustainable application of PMB. / Polymermodifierade bitumen (PMB) är ett högpresterande material för väganläggning och underhåll. Men PMB:s lagringsstabilitet och fassepareringsegenskaper är inte tillräckligt förstådda än och behöver studeras för en mer framgångsrik och hållbar användning av PMB. I denna avhandling studeras termodynamisk jämvikt och fasseparation av PMB med målsättning att uppnå en grundläggande förståelse av PMB:s lagringsstabilitet och fassepareringsegenskaper. Utvecklingen av polymermodifierade bitumen sammanfattas. Fasseparationsprocessen av instabil PMB:s studeras med hjälp av fluorescens mikroskopi vid lagringstemperatur (180 °C). En kopplad fas-fälts modell som beskriver diffusion och flöde har utvecklats för att simulera och förutsäga PMB:s lagringsstabilitet och fassepareringsegenskaper. Temperaturberoendet hos PMB:s fasseparation har beskrivits genom att införa temperaturberoende modellparametrar mellan 140 °C och 180 °C. Denna modell är införd i ett finit element program och kalibrerad med experimentella observationer på verkliga PMB. Resultaten indikerar att lagringsstabiliteten och fasseparationen hos PMB är starkt beroende av den specifika kombinationen av basbitumen och polymer. En instabil PMB börjar separera i två faser genom diffusion, beroende på dålig bitumen-polymer kompatibilitet. När skillnaden i densitet mellan de två faserna blir tillräckligt stor kommer gravitationen att driva flödet av de två faserna och accelerera separationen i vertikalled. Den föreslagna modellen, baserad på Cahn-Hilliards ekvation, Flory-Huggins teori och Navier-Stokes ekvation, kan beskriva stabilitetsskillnaderna mellan de undersökta PMB:erna och deras distinkta mikrostruktur vid olika temperaturer. De olika materialparametrarna hos PMB bestämmer skillnaden i fassepareringsegenskaper i termer av stabilitet och temperaturberoende. Den utvecklade modellen kan simulera och förklara de resulterande skillnaderna på grund av materialparametrarna. Resultatet av denna studie kan bidra till att säkerställa lagringsstabilitet och hållbara applikationer för PMB. / <p>QC 20161102</p>

Industrial development processes as well as research in physics, materials and engineering science rely on computer modelling and simulation techniques today. With increasing computer power, computations are carried out on multiple scales and involve the analysis of coupled problems. In this work, continuum modelling is therefore applied at different scales in order to facilitate a prediction of the effective material or structural behaviour based on the local morphology and the properties of the individual constituents. This provides valueable insight into the structure-property relations which are of interest for any design process. In order to obtain reasonable predictions for the effective behaviour, numerical models which capture the essential fine scale features are required. In this context, the efficient representation of discontinuities as they arise at, e.g. material interfaces or cracks, becomes more important than in purely phenomenological macroscopic approaches. In this work, two different approaches to the modelling of discontinuities are discussed: (i) a sharp interface representation which requires the localisation of interfaces by the mesh topology. Since many interesting macroscopic phenomena are related to the temporal evolution of certain microscopic features, (ii) diffuse interface models which regularise the interface in terms of an additional field variable and therefore avoid topological mesh updates are considered as an alternative. With the two combinations (i) Extended Finite Elemente Method (XFEM) + sharp interface model, and (ii) Isogeometric Analysis (IGA) + diffuse interface model, two fundamentally different approaches to the modelling of discontinuities are investigated in this work. XFEM reduces the continuity of the approximation by introducing suitable enrichment functions according to the discontinuity to be modelled. Instead, diffuse models regularise the interface which in many cases requires even an increased continuity that is provided by the spline-based approximation. To further increase the efficiency of isogeometric discretisations of diffuse interfaces, adaptive mesh refinement and coarsening techniques based on hierarchical splines are presented. The adaptive meshes are found to reduce the number of degrees of freedom required for a certain accuracy of the approximation significantly. Selected discretisation techniques are applied to solve a coupled magneto-mechanical problem for particulate microstructures of Magnetorheological Elastomers (MRE). In combination with a computational homogenisation approach, these microscopic models allow for the prediction of the effective coupled magneto-mechanical response of MRE. Moreover, finite element models of generic MRE microstructures are coupled with a BEM domain that represents the surrounding free space in order to take into account finite sample geometries. The macroscopic behaviour is analysed in terms of actuation stresses, magnetostrictive deformations, and magnetorheological effects. The results obtained for different microstructures and various loadings have been found to be in qualitative agreement with experiments on MRE as well as analytical results. / Industrielle Entwicklungsprozesse und die Forschung in Physik, Material- und Ingenieurwissenschaft greifen in einem immer stärkeren Umfang auf rechnergestützte Modellierungs- und Simulationsverfahren zurück. Die ständig steigende Rechenleistung ermöglicht dabei auch die Analyse mehrskaliger und gekoppelter Probleme. In dieser Arbeit kommt daher ein kontinuumsmechanischer Modellierungsansatz auf verschiedenen Skalen zum Einsatz. Das Ziel der Berechnungen ist dabei die Vorhersage des effektiven Material- bzw. Strukturverhaltens auf der Grundlage der lokalen Werkstoffstruktur und der Eigenschafen der konstitutiven Bestandteile. Derartige Simulationen liefern interessante Aussagen zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, deren Verständnis entscheidend für das Material- und Strukturdesign ist. Um aussagekräftige Vorhersagen des effektiven Verhaltens zu erhalten, sind numerische Modelle erforderlich, die wesentliche Eigenschaften der lokalen Materialstruktur abbilden. Dabei kommt der effizienten Modellierung von Diskontinuitäten, beispielsweise Materialgrenzen oder Rissen, eine deutlich größere Bedeutung zu als bei einer makroskopischen Betrachtung. In der vorliegenden Arbeit werden zwei unterschiedliche Modellierungsansätze für Unstetigkeiten diskutiert: (i) eine scharfe Abbildung, die üblicherweise konforme Berechnungsnetze erfordert. Da eine Evolution der Mikrostruktur bei einer derartigen Modellierung eine Topologieänderung bzw. eine aufwendige Neuvernetzung nach sich zieht, werden alternativ (ii) diffuse Modelle, die eine zusätzliche Feldvariable zur Regularisierung der Grenzfläche verwenden, betrachtet. Mit der Kombination von (i) Erweiterter Finite-Elemente-Methode (XFEM) + scharfem Grenzflächenmodell sowie (ii) Isogeometrischer Analyse (IGA) + diffuser Grenzflächenmodellierung werden in der vorliegenden Arbeit zwei fundamental verschiedene Zugänge zur Modellierung von Unstetigkeiten betrachtet. Bei der Diskretisierung mit XFEM wird die Kontinuität der Approximation durch eine Anreicherung der Ansatzfunktionen gemäß der abzubildenden Unstetigkeit reduziert. Demgegenüber erfolgt bei einer diffusen Grenzflächenmodellierung eine Regularisierung. Die dazu erforderliche zusätzliche Feldvariable führt oft zu Feldgleichungen mit partiellen Ableitungen höherer Ordnung und weist in ihrem Verlauf starke Gradienten auf. Die daraus resultierenden Anforderungen an den Ansatz werden durch eine Spline-basierte Approximation erfüllt. Um die Effizienz dieser isogeometrischen Diskretisierung weiter zu erhöhen, werden auf der Grundlage hierarchischer Splines adaptive Verfeinerungs- und Vergröberungstechniken entwickelt. Ausgewählte Diskretisierungsverfahren werden zur mehrskaligen Modellierung des gekoppelten magnetomechanischen Verhaltens von Magnetorheologischen Elastomeren (MRE) angewendet. In Kombination mit numerischen Homogenisierungsverfahren, ermöglichen die Mikrostrukturmodelle eine Vorhersage des effektiven magnetomechanischen Verhaltens von MRE. Außerderm wurden Verfahren zur Kopplung von FE-Modellen der MRE-Mikrostruktur mit einem Randelement-Modell der Umgebung vorgestellt. Mit Hilfe der entwickelten Verfahren kann das Verhalten von MRE in Form von Aktuatorspannungen, magnetostriktiven Deformationen und magnetischen Steifigkeitsänderungen vorhergesagt werden. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Modellierungsansätzen, stimmen die mit den hier vorgestellten Methoden für unterschiedliche Mikrostrukturen erzielten Vorhersagen sowohl mit analytischen als auch experimentellen Ergebnissen überein.

In recent years, additive manufacturing (AM) of Alloy 718 has received increasing interest in the field of manufacturing engineering owing to its attractive features compared to those of conventional manufacturing methods. The ability to produce complicated geometries, low cost of retooling, and control of the microstructure are some of the advantages of the AM process over traditional manufacturing methods. Nevertheless, during the building process, the build material undergoes complex thermal conditions owing to the inherent nature of the process. This results in phase transformation from liquid to solid and solid state. Thus, it creates microstructural gradients in the built objects, and as a result,heterogeneous material properties. The manufacturing process, including the following heat treatment that is used to minimise the heterogeneity, will cause the additively manufactured material to behave differently when compared to components produced by conventional manufacturing methods. Therefore, understanding the microstructure formation during the building and subsequent post-heat treatment is important, which is the objective of this work. Alloy 718 is a nickel-iron based super alloy that is widely used in the aerospace industry and in the gas turbine power plants for making components subjected tohigh temperatures. Good weldability, good mechanical properties at high temperatures, and high corrosion resistance make this alloy particularly suitablefor these applications. Nevertheless, the manufacturing of Alloy 718 components through traditional manufacturing methods is time-consuming and expensive. For example, machining of Alloy 718 to obtain the desired shape is difficult and resource-consuming, owing to significant material waste. Therefore, the application of novel non-conventional processing methods, such as AM, seems to be a promising technique for manufacturing near-net-shape complex components.In this work, microstructure modelling was carried out by using multiphase-field modelling to model the microstructure evolution in electron beam melting (EBM) and laser metal powder directed energy deposition (LMPDED) of Alloy 718 and x subsequent heat treatments. The thermal conditions that are generated during the building process were used as input to the models to predict the as-built microstructure. This as-built microstructure was then used as an input for the heat treatment simulations to predict the microstructural evolution during heat treatments. The results showed smaller dendrite arm spacing (one order of magnitude smaller than the casting material) in these additive manufactured microstructures, which creates a shorter diffusion length for the elements compared to the cast material. In EBM Alloy 718, this caused the material to have a faster homogenisation during in-situ heat treatment that resulting from the elevated powder bed temperature (&gt; 1000 °C). In addition, the compositional segregation that occurs during solidification was shown to alter the local thermodynamic and kinetic properties of the alloy. This was observed in the predicted TTT and CCT diagrams using the JMat Pro software based on the predicted local segregated compositions from the multiphase-field models. In the LMPDED Alloy 718 samples, this resulted in the formation of δ phase in the interdendritic region during the solution heat treatment. Moreover, this resulted in different-size precipitation of γ'/γ'' in the inter-dendritic region and in the dendrite core. Themicro structure modelling predictions agreed well with the experimental observations. The proposed methodology used in this thesis work can be an appropriate tool to understand how the thermal conditions in AM affect themicro structure formation during the building process and how these as-built microstructures behave under different heat treatments.

Industrial development processes as well as research in physics, materials and engineering science rely on computer modelling and simulation techniques today. With increasing computer power, computations are carried out on multiple scales and involve the analysis of coupled problems. In this work, continuum modelling is therefore applied at different scales in order to facilitate a prediction of the effective material or structural behaviour based on the local morphology and the properties of the individual constituents. This provides valueable insight into the structure-property relations which are of interest for any design process. In order to obtain reasonable predictions for the effective behaviour, numerical models which capture the essential fine scale features are required. In this context, the efficient representation of discontinuities as they arise at, e.g. material interfaces or cracks, becomes more important than in purely phenomenological macroscopic approaches. In this work, two different approaches to the modelling of discontinuities are discussed: (i) a sharp interface representation which requires the localisation of interfaces by the mesh topology. Since many interesting macroscopic phenomena are related to the temporal evolution of certain microscopic features, (ii) diffuse interface models which regularise the interface in terms of an additional field variable and therefore avoid topological mesh updates are considered as an alternative. With the two combinations (i) Extended Finite Elemente Method (XFEM) + sharp interface model, and (ii) Isogeometric Analysis (IGA) + diffuse interface model, two fundamentally different approaches to the modelling of discontinuities are investigated in this work. XFEM reduces the continuity of the approximation by introducing suitable enrichment functions according to the discontinuity to be modelled. Instead, diffuse models regularise the interface which in many cases requires even an increased continuity that is provided by the spline-based approximation. To further increase the efficiency of isogeometric discretisations of diffuse interfaces, adaptive mesh refinement and coarsening techniques based on hierarchical splines are presented. The adaptive meshes are found to reduce the number of degrees of freedom required for a certain accuracy of the approximation significantly. Selected discretisation techniques are applied to solve a coupled magneto-mechanical problem for particulate microstructures of Magnetorheological Elastomers (MRE). In combination with a computational homogenisation approach, these microscopic models allow for the prediction of the effective coupled magneto-mechanical response of MRE. Moreover, finite element models of generic MRE microstructures are coupled with a BEM domain that represents the surrounding free space in order to take into account finite sample geometries. The macroscopic behaviour is analysed in terms of actuation stresses, magnetostrictive deformations, and magnetorheological effects. The results obtained for different microstructures and various loadings have been found to be in qualitative agreement with experiments on MRE as well as analytical results. / Industrielle Entwicklungsprozesse und die Forschung in Physik, Material- und Ingenieurwissenschaft greifen in einem immer stärkeren Umfang auf rechnergestützte Modellierungs- und Simulationsverfahren zurück. Die ständig steigende Rechenleistung ermöglicht dabei auch die Analyse mehrskaliger und gekoppelter Probleme. In dieser Arbeit kommt daher ein kontinuumsmechanischer Modellierungsansatz auf verschiedenen Skalen zum Einsatz. Das Ziel der Berechnungen ist dabei die Vorhersage des effektiven Material- bzw. Strukturverhaltens auf der Grundlage der lokalen Werkstoffstruktur und der Eigenschafen der konstitutiven Bestandteile. Derartige Simulationen liefern interessante Aussagen zu den Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, deren Verständnis entscheidend für das Material- und Strukturdesign ist. Um aussagekräftige Vorhersagen des effektiven Verhaltens zu erhalten, sind numerische Modelle erforderlich, die wesentliche Eigenschaften der lokalen Materialstruktur abbilden. Dabei kommt der effizienten Modellierung von Diskontinuitäten, beispielsweise Materialgrenzen oder Rissen, eine deutlich größere Bedeutung zu als bei einer makroskopischen Betrachtung. In der vorliegenden Arbeit werden zwei unterschiedliche Modellierungsansätze für Unstetigkeiten diskutiert: (i) eine scharfe Abbildung, die üblicherweise konforme Berechnungsnetze erfordert. Da eine Evolution der Mikrostruktur bei einer derartigen Modellierung eine Topologieänderung bzw. eine aufwendige Neuvernetzung nach sich zieht, werden alternativ (ii) diffuse Modelle, die eine zusätzliche Feldvariable zur Regularisierung der Grenzfläche verwenden, betrachtet. Mit der Kombination von (i) Erweiterter Finite-Elemente-Methode (XFEM) + scharfem Grenzflächenmodell sowie (ii) Isogeometrischer Analyse (IGA) + diffuser Grenzflächenmodellierung werden in der vorliegenden Arbeit zwei fundamental verschiedene Zugänge zur Modellierung von Unstetigkeiten betrachtet. Bei der Diskretisierung mit XFEM wird die Kontinuität der Approximation durch eine Anreicherung der Ansatzfunktionen gemäß der abzubildenden Unstetigkeit reduziert. Demgegenüber erfolgt bei einer diffusen Grenzflächenmodellierung eine Regularisierung. Die dazu erforderliche zusätzliche Feldvariable führt oft zu Feldgleichungen mit partiellen Ableitungen höherer Ordnung und weist in ihrem Verlauf starke Gradienten auf. Die daraus resultierenden Anforderungen an den Ansatz werden durch eine Spline-basierte Approximation erfüllt. Um die Effizienz dieser isogeometrischen Diskretisierung weiter zu erhöhen, werden auf der Grundlage hierarchischer Splines adaptive Verfeinerungs- und Vergröberungstechniken entwickelt. Ausgewählte Diskretisierungsverfahren werden zur mehrskaligen Modellierung des gekoppelten magnetomechanischen Verhaltens von Magnetorheologischen Elastomeren (MRE) angewendet. In Kombination mit numerischen Homogenisierungsverfahren, ermöglichen die Mikrostrukturmodelle eine Vorhersage des effektiven magnetomechanischen Verhaltens von MRE. Außerderm wurden Verfahren zur Kopplung von FE-Modellen der MRE-Mikrostruktur mit einem Randelement-Modell der Umgebung vorgestellt. Mit Hilfe der entwickelten Verfahren kann das Verhalten von MRE in Form von Aktuatorspannungen, magnetostriktiven Deformationen und magnetischen Steifigkeitsänderungen vorhergesagt werden. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Modellierungsansätzen, stimmen die mit den hier vorgestellten Methoden für unterschiedliche Mikrostrukturen erzielten Vorhersagen sowohl mit analytischen als auch experimentellen Ergebnissen überein.