Infiltration geschlossenporiger pulvermetallurgischer Aluminiumschäume mit Phase-Change-Material und Evaluierung des Potentials des Materialverbundes

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 zu-gehöriger Berechnungs- und Auswertungskennwert analytisch beschrieben. Anhand in-filtrationsgerecht 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. Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Motivation 2 Stand der Technik 2.1 Aluminiumschaum 2.1.1 Einteilung 2.1.2 Herstellung 2.1.3 Strukturelle Eigenschaften 2.1.4 Mechanische Eigenschaften 2.1.5 Thermische Eigenschaften 2.1.6 Schaummodelle 2.1.7 Sandwichstrukturen 2.1.8 Anwendungen 2.2 Phase-Change-Material 2.2.1 Wirkprinzip und Einteilung 2.2.2 Herstellung 2.2.3 Eigenschaften 2.2.4 Konfektionierung 2.2.5 Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit 2.2.6 Anwendungen 2.3 Thermische Grundlagen 2.3.1 Grundlagen der Wärmeübertragung 2.3.2 Grundlagen der dynamischen Differenzkalorimetrie zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität und Enthalpie 2.3.3 Messverfahren zur Bestimmung der Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit 3 Zielstellung und Präzisierung der Aufgabenstellung 4 Infiltrationstechnologie 4.1 Grundlagenbetrachtungen zur Infiltration 4.1.1 Infiltrierbarkeit geschlossenporiger Aluminiumschäume 4.1.2 Verteilung des PCM innerhalb der Probe 4.2 Konzeptentwicklung für Infiltrationsverfahren 4.2.1 Konzepte PCM-Tauchinfiltration 4.2.2 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration ohne Werkzeug 4.2.3 Konzepte PCM-Vakuuminfiltration mit Werkzeug 4.3 Fertigung und Modifikation von Aluminiumschaumproben 4.3.1 Herstellungsprozess von Aluminiumschaumhalbzeugen 4.3.2 Probenabdichtung 4.3.3 Infusions- und Injektionsanschlüsse 4.4 Berechnung des Infiltrationsgrads 4.5 Infiltrationsversuche 4.5.1 PCM-Tauchinfiltration 4.5.2 PCM-Vakuum-Infiltration ohne Werkzeug 4.5.3 PCM Vakuum-Infiltration mit Werkzeug 5 Messtechnische Untersuchungen 5.1 Strukturelle Charakterisierung 5.1.1 Dichte und Porenstruktur 5.1.2 Dichteverteilung 5.1.3 Ebenheit 5.1.4 Permeabilität 5.2 Thermische Charakterisierung 5.2.1 Wärmeleitung 5.2.2 Wärmekapazität 5.2.3 Zersetzungstemperaturen 5.2.4 Zyklenbeständigkeit 5.2.5 Experimente auf Bauteilebene 5.3 Mechanische Charakterisierung 5.3.1 Druckversuche 5.3.2 Kopfzugversuche 5.3.3 Schubversuche 5.3.4 Intrusionsversuche - Impaktverhalten 5.3.5 4-Punkt-Biegeversuche 5.3.6 Akustische Charakterisierung 6 Berechnung und Simulation 6.1 Thermische Dimensionierung und Validierung mittels FEM 6.1.1 Auslegung der Latentwärmespeicher-Systeme 6.1.2 Berechnung der Verbundeigenschaften 6.1.3 Implementierung der Verbundeigenschaften in die FEM-Umgebung 6.1.4 Validierung der thermischen Charakterisierung 6.2 Mechanische Dimensionierung und FEM-Validierung 6.2.1 Implementierung in die FEM-Umgebung 6.2.2 Validierung mechanischer Charakterisierung 7 Auswertung und Diskussion 7.1 Auswertung der Infiltrationstechnologie 7.2 Vergleich der thermischen Eigenschaften mit Literaturdaten 7.3 Vergleich der mechanischen Eigenschaften mit Literaturdaten 7.4 Evaluierung des Anwendungspotentials 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Literaturverzeichnis Anmerkungen Anhang