Simulation of electrical characteristics of Ceramic Matrix Composites (Bachelorarbeit)

Abstract

Die strukturelle Zustandsüberwachung von Hitzeschutzsystemen von Raumflugzeugen ist von großer Bedeutung, um beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre Ausfälle zu vermeiden. Ein solches System für keramische Faserverbundwerkstoffe wird am Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie des DLR Stuttgart entwickelt, experimentell getestet und in dieser Arbeit numerisch simuliert. Ein Modell für elektrische Simulationen von experimentellen Daten wird für C/C-SiC Proben entwickelt und verwendet. Für die Modellierung der Mikrostruktur wird ein dreistufiges Verfahren zur Bestimmung des spezifischen elektrischen Widerstandes entwickelt, der die Interaktion zwischen allen im Verbundwerkstoff vorhandenen Elementen berücksichtigt. Das numerische Modell wird mit experimentellen Daten validiert und theoretische Simulationen von Experimenten werden durchgeführt. Die entsprechenden Fehlerberechnungen werden durchgeführt, die eine Abweichung von experimentellen und Simulationsdaten von weniger als 20% zeigen. Von experimentellen Daten abgeleitete Theorie, dass sich der Widerstand am Probenrand erhöht und nur ein Teil der Querschnittsfläche der Probe, der sogenannte effektive Querschnitt, vom elektrischen Strom genutzt wird, konnte auch durch Simulationen nachgewiesen werden. Schließlich wird ein Defektdetektionsverfahren simuliert, das zeigt, dass der elektrische Widerstand in jenen Messpfaden nahe einer Schadensstelle zunimmt. Somit wird die Systemzuverlässigkeit in Bezug auf Schadenserkennung in keramischen Faserverbundwerkstoffen bestätigt.