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Morphological Analysis, Digital Modeling, and Mechanical Simulation of Carbon Foam

Arand, Frederick

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Abstract

A carbon foam sample is investigated in three steps. Analysis of the pore distribution of the foam is based on its computed tomography data set. For this purpose, an automatic segmentation algorithm is improved: Random access memory usage can be reduced up to two thirds. Effective radii of detected pores lie between r eff = 1 μm and r eff = 160 μm. Small pores with r eff < 8 μm are spherical and occur abundantly. Large pores resemble ellipsoids, and are aligned to each other. After analysis, carbon foam is modeled digitally. Void space is approximated by overlapping ellipsoids, which mimic the previously determined distribution of pores. Modeling is subdivided into two steps: First, around 9600 ellipsoids are packed in a virtual process. For efficiency, inner distances of intersecting ellipsoid surfaces are approximated. Then, small spheres are placed randomly within the remaining material. Altogether, a model foam with 100 000 pores is generated. Multiple linear elastic mechanics simulations are conducted to compare mechanical properties of carbon foam and digital model. Depending on spatial direction, the elastic modulus of the real foam is between 10 % and 45 % larger than the modulus of the model. Finally, effective mechanical properties are compared with models which can be found in literature.

Translation of abstract (German)

Eine Carbonschaumprobe wird in drei Schritten untersucht. Basierend auf dem Computertomographie-Datensatz des Schaums werden zuerst dessen Hohlräume hinsichtlich der Porenverteilung analysiert. Ein automatischer Segmentierungsalgorithmus wird zu diesem Zweck verbessert, der Arbeitsspeicherbedarf wird um bis zu zwei Drittel reduziert. Die effektiven Radien der gefunden Poren liegen zwischen r eff = 1 μm und r eff = 160 μm. Kleine Poren mit r eff < 8 μm sind kugelförmig und treten mit großer Häufigkeit auf. Große Poren ähneln Ellipsoiden, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Nach der Analyse wird der Carbonschaum digital modelliert. Dabei werden Hohlräume durch überlappende Ellipsoide angenähert, deren Größenverteilung diejenige der Poren im realen Schaum abbildet. Die Modellierung ist zweigeteilt: Zunächst werden ca. 9600 Ellipsoide in einem virtuellen Prozess gepackt. Zur Effizienzsteigerung werden innere Abstände schneidender Ellipsoidoberflächen approximiert. Danach werden kleinen Kugeln zufällig im verbliebenen Material verteilt. Im Endeffekt kann so ein Modellschaum mit insgesamt 100 000 Poren erzeugt werden. Mit Hilfe mehrerer linear-elastischer Mechaniksimulationen werden Carbonschaum und digitales Modell verglichen. Abhängig von der Raumrichtung liegt das Elastizitätsmodul des realen Schaums zwischen 10 % und 45 % über dem des Modellschaums. Abschließend werden die effektiven Mechanikeigenschaften mit Literaturmodellen verglichen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hesser, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 22 May 2019
Date Deposited: 28 May 2019 08:27
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Bildsegmentierung, Computersimulation
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