Gegenstand dieser Arbeit sind die Erweiterung des Standes der Technik um Verfahren zur Herstellung und die Charakterisierung mit Paraffinen infiltrierter geschlossenporiger Aluminiumschäume.
Die Einzelwerkstoffe werden hinsichtlich ihres strukturellen, mechanischen und thermischen Verhaltens anhand ausgewählter Tests wie der computertomografischen Analyse, dem Druckversuch und dem „Transient-Plane-Source“-Verfahren charakterisiert. Dem schließt sich die Entwicklung von Infiltrationsmethoden zur Herstellung von Werkstoffverbunden aus den Einzelwerkstoffen an. Der Infiltrationsgrad wird als wesentlicher zugehöriger Berechnungs- und Auswertungskennwert analytisch beschrieben. Anhand infiltrationsgerecht gefertigter Aluminiumschaumproben erfolgt die experimentelle Untersuchung verschiedener Infiltrationsverfahren auf Basis statistischer Versuchspläne und deren Gegenüberstellung. Im Anschluss an die Charakterisierung der Verbunde und der Modellierung betrachteter Zielgrößen mittels Regressionsmodellen erfolgt der Vergleich der Verbundeigenschaften mit denen der Einzelwerkstoffe. Nach analytischen Berechnungen zur Auslegung von Latentwärmespeicher-Systemen folgt die Dimensionierung mittels Finite-Elemente-Methode. Die Modellierung auf Basis eines homogenisierten Materialverhaltens wird anhand von Experimenten validiert. Abschließend werden anhand der generierten Werkstoff-Datenbasis Aussagen über das Nutzungspotential für ausgewählte Anwendungen abgeleitet.:Danksagung
Bibliografische Beschreibung
Abbildungsverzeichnis 5
Tabellenverzeichnis 11
Symbol- und Abkürzungsverzeichnis 13
1 Einleitung und Motivation 17
2 Stand der Technik 19
2.1 Aluminiumschaum 19
2.1.1 Einteilung 19
2.1.2 Herstellung 20
2.1.3 Strukturelle Eigenschaften 25
2.1.4 Mechanische Eigenschaften 27
2.1.5 Thermische Eigenschaften 30
2.1.6 Schaummodelle 35
2.1.7 Sandwichstrukturen 36
2.1.8 Anwendungen 39
2.2 Phase-Change-Material 41
2.2.1 Wirkprinzip und Einteilung 41
2.2.2 Herstellung 43
2.2.3 Eigenschaften 44
2.2.4 Konfektionierung 46
2.2.5 Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit 48
2.2.6 Anwendungen 53
2.3 Thermische Grundlagen 56
2.3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 56
2.3.2 Grundlagen der dynamischen Differenzkalorimetrie zur
Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität und Enthalpie 58
2.3.3 Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur- und
Wärmeleitfähigkeit 58
3 Zielstellung und Präzisierung der Aufgabenstellung 63
4 Infiltrationstechnologie 65
4.1 Grundlagenbetrachtungen zur Infiltration 65
4.1.1 Infiltrierbarkeit geschlossenporiger Aluminiumschäume 65
4.1.2 Verteilung des PCM innerhalb der Probe 65
4.2 Konzeptentwicklung für Infiltrationsverfahren 68
4.2.1 Konzepte PCM-Tauchinfiltration 68
4.2.2 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration ohne Werkzeug 69
4.2.3 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration mit Werkzeug 70
4.3 Fertigung und Modifikation von Aluminiumschaumproben 71
4.3.1 Herstellungsprozess von Aluminiumschaumhalbzeugen 73
4.3.2 Probenabdichtung 73
4.3.3 Infusions- und Injektionsanschlüsse 74
4.4 Berechnung des Infiltrationsgrads 75
4.5 Infiltrationsversuche 77
4.5.1 PCM-Tauchinfiltration 77
4.5.2 PCM-Vakuum-Infiltration ohne Werkzeug 79
4.5.3 PCM Vakuum-Infiltration mit Werkzeug 83
5 Messtechnische Untersuchungen 89
5.1 Strukturelle Charakterisierung 89
5.1.1 Dichte und Porenstruktur 89
5.1.2 Dichteverteilung 92
5.1.3 Ebenheit 95
5.1.4 Permeabilität 96
5.2 Thermische Charakterisierung 98
5.2.1 Wärmeleitung 98
5.2.2 Wärmekapazität 105
5.2.3 Zersetzungstemperaturen 109
5.2.4 Zyklenbeständigkeit 109
5.2.5 Experimente auf Bauteilebene 112
5.3 Mechanische Charakterisierung 116
5.3.1 Druckversuche 116
5.3.2 Kopfzugversuche 120
5.3.3 Schubversuche 123
5.3.4 Intrusionsversuche - Impaktverhalten 124
5.3.5 4-Punkt-Biegeversuche 126
5.3.6 Akustische Charakterisierung 128
6 Berechnung und Simulation 131
6.1 Thermische Dimensionierung und Validierung mittels FEM 131
6.1.1 Auslegung der Latentwärmespeicher-Systeme 131
6.1.2 Berechnung der Verbundeigenschaften 132
6.1.3 Implementierung der Verbundeigenschaften in die
FEM-Umgebung 134
6.1.4 Validierung der thermischen Charakterisierung 137
6.2 Mechanische Dimensionierung und FEM-Validierung 140
6.2.1 Implementierung in die FEM-Umgebung 140
6.2.2 Validierung mechanischer Charakterisierung 142
7 Auswertung und Diskussion 147
7.1 Auswertung der Infiltrationstechnologie 147
7.2 Vergleich der thermischen Eigenschaften mit Literaturdaten 150
7.3 Vergleich der mechanischen Eigenschaften mit Literaturdaten 154
7.4 Evaluierung des Anwendungspotentials 156
8 Zusammenfassung 166
9 Ausblick 170
10 Literaturverzeichnis 172
Anmerkungen 186
Anhang 188
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:92679 |
| Date | 19 September 2024 |
| Creators | Schmerler, Jürgen Rico |
| Contributors | Drossel, Welf-Guntram, Modler, Niels, Technische Universität Chemnitz |
| Publisher | Wissenschaftliche Scripten |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/updatedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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