Design elektrokalorischer mehrlagiger Kühlelemente mit Hilfe von Multiskalenmodellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Professorin Dr.-Ing. Bai-Xiang Xu
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226715796

Durch die Kombination ferroelektrischer Relaxoren, die eine große nutzbare elektrokalorische Kapazität haben, mit thermischen Schaltern, welche aus ferroelektrischen Materialien bestehen und eine einstellbare Wärmeleitfähigkeit zeigen, lassen sich Bauteile zur Kühlung konzipieren, welche keine beweglichen festen oder flüssigen Bestandteile benötigen.Dieses Projekt hat das konzeptionelle Design und die Optimierung dieser Multilagensysten zum Ziel, die bei niedrigen Betriebsspannungen in Bauteilen zur Mikrokühlung eingesetzt werden können.Simulationen auf der Kontinuumskala und atomistische Simulationen sind vorgesehen, um ein gezieltes Material- und Bauteildesign zu ermöglichen und die Kühlleistung des Materialverbunds zu optimieren. Auf der Kontinuumsskala werden Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um den transienten Wärmefluss in den Kühlelementen zu modellieren. Neuartig ist dabei die explizite Berücksichtigung der Domänenstrukturentwicklung, die Berücksichtigung des thermischen Schalters und die atomistischeBetrachtung der Grenzflächen zum elektrokalorisch aktiven Material. Dabei berücksichtigen die FE-Rechnungen auch elektrostatische und mechanische Feldgrößen. Im Zuge des Design sollen geometrische Parameter, wie Schichtdicken und Elektrodenkonfigurationen, berücksichtigt werden.Auf der atomaren Skala werden charakterische Materialparameter berechnet und der Zusammenhang zwischen dem elektrokalorischen Effekt und dem Relaxorverhalten von Na0.5Bi0.5TiO3 imd (Ba,Sr)TiO3untersucht. Dabei wird die Entwicklung geeigneter gitterbasierter Hamiltonians einen wesentlichen methodischen Aspekt der Projektarbeit darstellen. Das Ziel ist es, Modelle unterschiedlicher Komplexität und numerischer Effizient (Ising-Typ, Landau-Typ and ab-initio basiert) so zu kombinieren, das die Materialeigenschaften, welche den elektrokalorischen Effekt bestimmen, identifiziert werden können. Dabei sollen auch die Grenzflächen zwischen dem elektrokalorischen Material und den Lagen, die als thermische Schalter dienen, berücksichtigt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1599: Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung