Einfluss des Querschnittsprofils von Fasern auf die multifunktionalen Eigenschaften von unidirektionalen Verbundstoffen

Die vorliegende Arbeit untersucht umfassend den Einfluss des Umfangs der Faser-Matrix-Oberfläche auf die multifunktionalen Eigenschaften von unidirektionalen Verbundmaterialien. Dreidimensionale Mikrostrukturen (mit Fasern in dreieckigem, elliptischem, rechteckigem, C-förmigem und zweilappigem Querschnitt) werden analysiert, um die effektive Wärmeleitfähigkeit sowie thermo-elastische und piezoelektrische Eigenschaften zu bewerten. Jede dieser Eigenschaften wird mit der entsprechenden Eigenschaft der RVE mit kreisförmigem Faserquerschnitt normalisiert; Diese normalisierten Eigenschaften werden objektiv mit dem normalisierten Umfang des Faserquerschnitts (Formfaktor) verglichen. Für alle betrachteten Eigenschaften und Querschnittsformen der Faser zeigt eine neuartige Beobachtung, dass die Eigenschaft im anfänglichen Bereich des Formfaktors einen Rückgang (oder Anstieg) erfährt, danach jedoch monoton ansteigt (oder fällt). Dies steht im Gegensatz zu den bestehenden Beobachtungen in der Literatur, wo Eigenschaften nur als monoton ansteigend oder fallend mit dem Formfaktor verstanden werden. Darüber hinaus wird beobachtet, dass die Größe des anfänglichen Rückgangs (oder Anstiegs) empfindlich auf den Fasergehalt und den Gegensatz zwischen Faser- und Matrixeigenschaften reagiert. In Übereinstimmung mit der Literatur wird eine starke Korrelation zwischen der Variation der in der Ebene liegenden Schermodule, der transversalen Wärmeleitfähigkeit und den transversalen Dielektrizitätskonstanten beobachtet.