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Date
2024Author
Warkentin, AndreasSubject
500 Science 600 Technology 620 Engineering FerroelektrikumEnergy HarvestingDissipationEigenerwärmungViskoelastizitätMetadata
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Integrierter Modellrahmen zur konstitutiven Beschreibung der gekoppelten visko–ferroelektrischen Dissipation sowie Identifikation und Analyse von Kreisprozessen zur effizienten Energiewandlung
Abstract
Zentraler Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung der gekoppelten Dissipation aufgrund von Domänenschalten und der Viskoelastizität sowie der damit einhergehenden Erwärmung. Dafür wird ein hybrides mikrophysikalisch–rheologisches konstitutives Modell entwickelt und in einen Multiskalenansatz eingebettet. Dabei werden sowohl Korninteraktionen, elektrische und mechanische Eigenfelder als auch korneigene Schaltbarrieren berücksichtigt. Die mathematische Theorie wird vor dem Hintergrund der rationalen Thermodynamik aufgebaut und enthält zwei Arten von inneren Variablen. Die dafür benötigten thermodynamischen Potentiale werden mittels eines eigens dafür entwickelten Konzepts hergeleitet. Damit entsteht ein in doppeltem Sinne integrierter Modellrahmen. Einerseits aufgrund der Integration des mikrophysikalischen in ein rheologisches Modell, wobei sich letzteres insofern von klassischen rheologischen Modellen unterscheidet, als dass dieses ein Korn repräsentiert und nicht das makroskopische Materialverhalten, und andererseits weil die Bestimmung der Potentiale Teil der mathematisch–physikalischen Modellbildung ist. Hysteresen und transiente Temperaturentwicklung werden für Polykristalle unter verschiedenen Belastungsbedingungen berechnet und, soweit möglich, validiert. Letztere orientieren sich an experimentellen Arbeiten aus der Literatur oder eigenen Experimenten. Dabei wird explizit der Einfluss beider dissipativer Effekte separiert. Es wird gezeigt, dass der Einfluss der Viskoelastizität, insbesondere bei unipolarer unterkritischer Last, nicht vernachlässigbar ist.
This work aims to theoretically explore the coupled dissipation due to domain switching and viscoelasticity, alongside the resultant heating. A hybrid microphysical–rheological constitutive model is developed within a multiscale modeling framework. This includes grain interactions, electric and mechanical residual fields, and individual switching barriers for the grains. The mathematical theory, based on rational thermodynamics, introduces two types of internal variables, with the required thermodynamic potentials derived from a novel concept developed in this work. This yields an integrated modeling framework, on the one hand by incorporating a microphysical model into a rheological one, the latter representing a grain rather than the macroscopic material behavior, and on the other by integrating the derivation of the potential into the model’s mathematical–physical formulation. Hysteresis loops and transient self–heating in polycrystals under various loading conditions are calculated and validated, where possible. The latter are motivated by experimental works from literature or own experiments. The distinct impact of both dissipative effects is explicitly analyzed, demonstrating the non-negligible influence of viscoelasticity, especially under unipolar subcritical loading.
Additional Information
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2024Druckausgabe
Citation
@book{doi:10.17170/kobra-202403089742,
author={Warkentin, Andreas},
title={Integrierter Modellrahmen zur konstitutiven Beschreibung der gekoppelten visko–ferroelektrischen Dissipation sowie Identifikation und Analyse von Kreisprozessen zur effizienten Energiewandlung},
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