Simulation der thermischen Leitfähigkeit von Composites

Forschungsprojekt P 14532Simulation der thermischen Leitfähigkeit von CompositesHeinz PETTERMANN09.10.2000 Im Rahmen des beantragten Projektes wird mittels Modellierung und Simulation die thermische Leitfähigkeit von Metall-Matix-Verbundwerkstoffen (MmCs) untersucht. Ziel ist die Adaptierung bestehender sowie die Entwicklung neuer Modeflierungsansätze zur Berechnung von Matrix-Faser(Partikel) Composites. Spezielles Augenmerk wird auf planar-zufallsverteilte Faserorientierungen unter Einbeziehung der thermischen Eigenschallen des Matrix-Einschluß Interfaces gelegt. Numerische und analytische Methoden werden zur Vorhersage der globalen Wärmeleiteigenschaften herangezogen. Die analytischen Ansätze basieren auf der Mori-Tanaka Methode, welche erweitert wird um das thermische Interface-Verhalten miteinzubeziehen. Für die numerischen Simulationen werden Einheitszellenmodelle verwendet, welche mittels der Methoden der Finiten Elemente analysiert werden. Zunächst werden Verbundwerkstoffe mit kontinuierlichen und diskontinuierlichen Fasern (unter Berücksichtigung der Interfaceeigenschaften) untersucht. Danach wird die Entwicklung einer Methode zur Erzeugung generischer Einheitszellen mit 2/13-zufallsverteilten Fasern mit geringen Orientierungsabweichungen aus der Ebene heraus angestrebt. Sobald derartige Einheitszellen verfügbar sind, lassen sich diese in relativ einfacher Weise auch für Analysen des thermoelastischen Verhaltens modifizieren, z.B. zur Vorhersage der elastischen Moduli und der Temperaturausdehnungskoeffizienten. Die beiden unterschiedlichen rechnerischen Zugange und der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen der thermischen Leitfähigkeit können eine breite Darstellung des Verhaltens der gegenständlichen Werkstoffe geben. Dieser Zugang führt auch zu einem vertieften Verständnis, der physikalischen Vorgänge im ,,Werkstoffinnere", welche für die Eigenschaften von heterogenen Materialien ausschlaggebend sind. Zusätzlich zu den MMC-Berechnungen wird die Entwicklung von experimentellen Methoden zur Interfacecharakterisierung durch computerbasierte Modellierung unterstützt. Die experimentellen Situationen weden im vorhinein analysiert um geeignete Probenabmessungen, Testbedingungen, etc. zu finden.