Multiphysical and multi scale modelling of composite materials for aircraft De-Icing

Abstract

Multifunktionale Komposite können strukturgebend und mindestens für eine oder mehrere weitere Funktionen genutzt werden, um ein System aus monofunktionalen Komponenten in einem Fahr- oder Flugzeug zu ersetzen. Ein Beispiel für ein solches Material ist die Struk- turbatterie. Ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, wird durch die eingebetteten Kohlefasern ermöglicht, die in der Lage sind, den Kunststoff zu verstärken und die Möglichkeit besitzen, Lithium Ionen einzulagern. Eine speziell entwickelte, strukturelle Elektrolytbeschichtung der Kohlefasern isoliert die Faser elektrisch und ermöglicht zudem den Ionenfluss und eine signifikante Lastübertragung. Wenn die strukturgebenden Materialien eines Fahr- oder Flugzeuges durch diesen multifunktionalen Verbund ersetzt werden, kann eine hohe Energiespeicherkapazität bei gleichzeitiger Gewichtsersparnis auf der Systemebene erreicht werden, da keine konventionellen Energiespeicher mehr benötigt werden. Während im multifunktionalen Verbundmaterial Strom geleitet wird, entsteht Joule- sche Wärme, die einen bedeutsamen Temperaturanstieg zur Folge hat. Ein Industriepatent hat vorgeschlagen, diese Wärme zur Enteisung von Flugzeugstrukturen zu nutzen, in- dem die Struktur selbst aus dem multifunktionalen Faserverbund gefertigt und aktiv erwärmt wird. Traditionelle Enteisungssysteme fügen einem Flugzeug eine signifikante, zusätzliche Masse hinzu und sind mechanisch sowie thermisch monofunktional konzipiert, sodass sie wenig Energieeffizient sind. Durch den Einsatz multifunktionaler Komposite wird eine bedeutsame Massenreduktion bei gleichzeitiger Energieeinsparung erwartet, da sie teil der bestehenden, lasttragenden Primärstruktur sein können und ihre funktionale Leistungsfähigkeit den Anwendungsbedingungen ideal angepasst werden kann. Der Einfluss der Elektrolytbeschichtung auf das Verhalten des Verbundmaterials, sowie die physikalischen Kopplungseffekte, die bei multifunktionaler Nutzung entstehen, sind bislang nicht hinreichend analysiert worden, wodurch ein signifikanter Bedarf besteht, die erwartete Leistungsfähigkeit mit quantitativen Ergebnissen zu untermauern. Ferner ist auch zu prüfen, welche möglichen Einschränkungen gegenüber klassischen Faserverbundma- terialien bestehen, sodass sie bei der Auslegung berücksichtigt werden können. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird in dieser Arbeit das Prinzip der modellbasierten Ent- wicklung und Optimierung auf den multifunktionalen Verbund angewendet. Dazu werden die elektro-thermischen sowie die mechanischen Eigenschaften der beschichteten Kohlefa- sern experimentell ermittelt. Ferner, wird ein neues elektro-thermo-mechanisch gekoppeltes, Multiskalenmodell aufgebaut, welches das gemessene Materialverhalten wiedergibt und weitere virtuelle Charakterisierungen erstmals ermöglicht. Das Modell wird letztlich durch Messungen an einer Versuchsstruktur in einem Enteisungsprüfstand erfolgreich validiert. Die Modellierung der temperaturinduzierten Reduktion der effektiven Steifigkeit und die Optimierung der Energieversorgung unter Berücksichtigung konvektiver Wärmedissipation sind wichtige, neue Ansätze dieser Arbeit. Zudem werden Effekte der inneren Wärmeleitung und der konvektiven Wärmedissipation in Bezug auf die modellbasierte Optimierung und die daraus abgeleiteten Innovationen diskutiert. Schließlich kann die Leistungsfähigkeit des multifunktionalen Verbundes zum Zwecke der Enteisung mit der der traditionellen Heizmattensysteme zum ersten mal verglichen werden. Auf Basis der quantitativen Ergebnisse ist zu erwarten, dass die zusätzliche Masse eines Enteisungssys- tems durch die Anwendung des multifunktionalen Materials eingespart werden kann und gleichzeitig eine signifikante Effizienzsteigerung bei der Wärmeleistung möglich ist. Zukünftige Untersuchungen können auf den entwickelten Modellen und Schlussfolge- rungen aufbauen, indem sie die Modelldefinition verfeinern und Schlussfolgerungen dieser Arbeit im Kontext anderer Anwendungsfälle, wie etwa der Strukturbatterie, diskutieren.

Multifunctional composite materials provide structural integrity and at least one or more functions which can be applied beneficially in vehicle systems. One example of a multifunctional material is the structural battery. The energy storage function of this material is given by the carbon fibre that reinforces the plastic matrix and provides a lithium ion intercalation function. A tailored polymer electrolyte coating on the fibre’s surface is electrically insulating, ion conducting and significantly load bearing simultaneously so that the energy storage function is supported. The multifunctional use for structural integrity and energy storage enables a significant weight saving potential when monofunctional components and their assemblies are replaced. During operation, the Joule heat effect provides a significant temperature rise of the multifunctional composite material. An industry patent suggested the use of the polymer electrolyte coated carbon fibres for the De-Icing of aircraft structures. Traditional systems provide a significant additional mass to the primary structure due to a low level of optimisation and their monofunctional concept. A significant weight reduction could contribute to the reduction of fossil fuel burn in a next generation aircraft. It is expected that the existing monofunctional primary structure can be replaced by a multifunctional structure, so that no additional mass is needed to provide the De-Icing function. In addition, it is expected that the structure can be optimised for an ideal functional performance which can lead to a reduced energy consumption for De-Icing. The influence of the polymer electrolyte coating on the characteristics of the composite material as well as the effects resulting from physical couplings during operation are not sufficiently analysed. In addition, possible constraints of the multifunctional application need to be quantified, in order to take them into account for future system development. In order to face these challenges, this thesis builds on the basic principle of a model based, optimised application of multifunctional composite materials that comprise polymer electrolyte coated carbon fibres and a polymer matrix. Therefore, the electro-thermal and mechanical properties of the coated carbon fibres are examined experimentally to conclude suitable model assumptions in a first approach. Furthermore, an electro-thermo- mechanically coupled multi scale model is introduced which covers the multifunctional material behaviour under operational conditions for the first time. The model is successfully validated by measurements in a De-Icing test bed with a flat plate type specimen structure. Significant physical couplings like a temperature induced stiffness change and an optimisation of heat transfer towards a minimum energy supply are important results of this thesis. In addition, conclusions from thermal heat transfer within the multifunctional composite material as well as the convective heat dissipation are discussed with respect to model based innovation. Finally, a new benchmark compares the optimised multifunctional material performance for De-Icing with traditional De-Icing systems like the bleed-air system or the heater mat system. Based on the optimisation results, a complete removal of the De-Icing system’s mass is expected and a significant increase of energy efficiency can be enabled. Future research can build on the derived conclusions towards a refinement of the coupled multiphysics model and towards further application scenarios like the structural battery.