Einfluss der Matrixporosität auf die Eigenschaften von oxidischen Verbundwerkstoffen

Titelangaben

Wagner, Lukas:
Einfluss der Matrixporosität auf die Eigenschaften von oxidischen Verbundwerkstoffen.
Bayreuth , 2026 . - X,153 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, den Einfluss der Porosität auf die am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe entwickelten oxidischen Faserverbundwerkstoffe (Ox/Ox) zu untersuchen und in das Modell von He und Hutchinson einzuordnen. Durch den Vergleich von monolithischen, gewebeverstärkten und kurzfaserverstärkten Proben desselben Materialsystems war der Vergleich mit dem Modell für verschiedene Szenarien möglich. Für die Untersuchungen wurde die Porosität durch Infiltrationen mit Zirkonium-n-Butoxid gezielt gesenkt. Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurde für alle Systeme das gleiche Vorgehen gewählt. In allen Materialien konnte die Porosität von 45 % auf 30 % gesenkt werden. Nach jeder Infiltration erfolgte eine Wärmebehandlung bei 950 °C für 2 h an Luft, um den Precursor umzuwandeln und organische Reste der Infiltration zu entfernen. Die letzte Wärmebehandlung erfolgte bei einer Temperatur von 1225 °C, um den Precursor zu kristallisieren. Eine Röntgendiffraktometrie (XRD)-Untersuchung bestätigte die Umwandlung des Precursors zu monoklinem ZrO2. Die Einordnung des Materials in das Modell von He und Hutchinson erfolgte durch die Bestimmung der Bruchenergie an monolithischen Proben. Um eine mit der Matrix von Ox/Ox vergleichbare Porosität zu erreichen, wurde bei der Herstellung auf kapillaraktive Gipsformen verzichtet und die Stäbchen in einer PTFE-Form abgegossen und getrocknet. Nach den Infiltrationen wurde der Elastizitätsmodul zerstörungsfrei mittels IET bestimmt. Die Bruchenergie wurde als Fläche unter der Kraft-Weg-Kurve bezogen auf die Bruchfläche in einem Drei-Punkt-Biegeversuch mit einer Prüfgeschwindigkeit von 5 μmmin−1 an gekerbten Proben bestimmt. Die für die Infiltrationen notwendigen Wärmebehandlungen zeigten keinen Einfluss auf die Bruchenergie, der Elastizitätsmodul stieg jedoch von 46,9 GPa ± 4,1 GPa auf 50,8 GPa ± 4,8 GPa an. Die Infiltrationen senkten die Porosität schrittweise ab, wodurch sowohl Elastizitätsmodul als auch Bruchenergie von 50,8 GPa ± 4,8 GPa auf 67,4 GPa ± 8,6 GPa bzw. von 8,4 Jm−2 ± 3,0 Jm−2 auf 17,1 Jm−2 ± 2,1 Jm−2 anstiegen. Die Einordnung in das Modell von He und Hutchinson prognostizierte mit diesen Daten einen Verlust des schadenstoleranten Verhaltens eines Ox/Ox bei einer Porosität von 35,6 % und niedriger. Die über das Modell getroffene Vorhersage wurde anhand von gewebeverstärkten und kurzfaserverstärkten Proben überprüft. Die Infiltration erfolgte auf die gleiche Weise wie bei den vorherigen Versuchen. Die Wärmebehandlung zeigte keinen Einfluss auf die Biegefestigkeit, den Elastizitätsmodul oder die Dehnung des faserverstärkten Materials, unabhängig von der Art der Verstärkung. Dies ließ sich durch den dominanten Einfluss der Fasern auf diese Eigenschaften erklären. Eine Veränderung zeigte sich in der durch die Matrix dominierten Scherfestigkeit. Hier konnte ein Anstieg beobachtet werden. Die Biegefestigkeit der gewebeverstärkten Platten verringerte sich mit sinkender Porosität von 416,4 MPa auf 249,5 MPa. Die Dehnung sank von 0,45 % auf 0,16 %, während der Elastizitätsmodul von 97,7 GPa auf 153,0 GPa anstieg. Das schadenstolerante Verhalten nahm mit abnehmender Porosität stetig ab und ging zwischen 36,8 % und 34,1 % vollständig verloren. Dies bestätigte die Vorhersage des Modells und zeigt somit die Eignung der Methode, das schadenstolerante Verhalten abzuschätzen. Betrachtet man jedoch kurzfaserverstärkte Proben, so zeigte sich, dass die Verdichtung durch die sieben Infiltrationen nicht ausreichte, um das schadenstolerante Verhalten zu verlieren. Die Vorhersage bezieht sich jedoch nur auf Risse, die in einem 90° Winkel auf die Grenzfläche treffen. Diese sind in einem gewebeverstärkten Material durch die regelmäßige Anordnung der Fasern wahrscheinlicher als bei der flächenisotropen Anordnung im kurzfaserverstärkten Material. Somit sind die Anforderungen für die Rissumlenkung bei kurzfaserverstärkten Ox/Ox weniger streng und konnten auch bei einer geringeren Matrixporosität erfüllt werden. Die Biegefestigkeit stieg beim kurzfaserverstärkten Ox/Ox von 83,4 MPa auf 119,1 MPa an, während der Elastizitätsmodul von 41,7 GPa auf 81,7 GPa anstieg. Die Dehnung sank ebenso wie bei den gewebeverstärkten Proben von 0,25 % auf 0,16 %. Die Verringerung der Dehnung deutete auch beim kurzfaserverstärkten Material den Verlust des schadenstoleranten Verhaltens bei einer weiteren Reduzierung der Porosität an. Die Untersuchungen in dieser Arbeit haben gezeigt, dass sich das schadenstolerante Verhalten bereits ohne den Einsatz von Fasern abschätzen lässt. Durch den direkten Vergleich von gewebeverstärktem und kurzfaserverstärktem Ox/Ox mit den Vorhersagen des Modells von He und Hutchinson bietet es einen guten Einblick und Vergleich zwischen Theorie und praktischer Umsetzung in einem CMC. In weiteren Versuchen kann das Vorgehen nun an neuen Matrixzusammensetzungen validiert werden. Dies erfolgte für die Wahl der Zusammensetzung einer Mullit-Matrix für einen mit N720 verstärkten Werkstoff. Darüber hinaus sind bisher keine Untersuchungen bezüglich einer Abschätzung der Festigkeit des zukünftigen Materials möglich. Hier können weitere Untersuchungen zeigen, welche Beschaffenheit eine Matrix haben muss, um nicht nur ein schadenstolerantes Verhalten aufzuweisen, sondern auch in Kombination mit den Fasern eine möglichst hohe Festigkeit zu gewährleisten.

Abstract in weiterer Sprache

The aim of the present study was to determine the influence of porosity on the mechanical properties of an all-oxide ceramic matrix composite (Ox/Ox) developed at the chair of Ceramic Materials Engineering and the classification of the material in the model of He and Hutchinson. The use of monolithic, fabric reinforced and short fiber reinforced material of the same material system enables a good comparison with the model and provides an insight to different reinforcement strategies. The porosity of the material was lowered by infiltration with zirconium-n-butoxide. The procedure for every material was the same to ensure good comparability. The submicron porosity was lowered in all cases from 45 % to 30 %. After every infiltration, a heat treatment at 950 °C for two hours in air was carried out to convert the precursor and oxidize organic residues. The final heat treatment was carried out at 1225 °C for two hours in air to crystallize the precursor. An x-ray diffraction (XRD) study showed, that the resulting ZrO2 was monoclinic. The classification of the material in the model of He and Hutchinson was carried out using the fracture energy of monolithic samples. To maintain comparability of the samples with the Ox/Ox, PTFE moulds instead of capillary active plaster moulds were used. The slurry was cast into the moulds and then dried to generate a microstructure comparable to the one in Ox/Ox. The Young’s modulus was determined non-destructively using impulse excitation technique (IET). The fracture energy was calculated using the force-displacement-curve divided by the fracture area. The test was carried out as a three-point-bending test on notched samples with a testing speed of 5 μmmin−1. The heat treatment had no influence on the fracture energy, but increased the Young’s modulus from 46.9 GPa ± 4.1 GPa to 50.8 GPa ± 4.8 GPa. The porosity decreased due to the infiltrations which caused an increase of the Young’s modulus from 50.8 GPa ± 4.8 GPa to 67.4 GPa ± 8.6 GPa as well as an increase of the fracture energy from 8.4 Jm−2 ± 3.0 Jm−2 to 17.1 Jm−2 ± 2.1 Jm−2. The comparison with the model of He and Hutchinson predicted a loss of the damage tolerant behavior of an Ox/Ox at a porosity of 35.6 % and below. The prediction of the model was tested with fabric and short fiber reinforced materials. The infiltration procedure was the same as in the previous experiments. The heat treatment showed no influence on the bending strength, the Young’s modulus and the strain at break of the fiber reinforced material, regardless of the reinforcement type. This was caused by the strong dependency on the properties of the fibers. The matrix dominated interlaminar shear strength increased as a result of the heat treatment. The bending strength of fabric reinforced samples decreased from 416.4 MPa to 249.5 MPa with decreasing porosity. The strain at break also decreased from 0.45 % to 0.16 %, while the Young’s modulus increased from 97.7 GPa to 153.0 GPa. The damage tolerant behavior decreased with decreasing porosity. The loss of the damage tolerant behavior was determined to be between 36.8 % and 34.1 %, which is in line with the prediction made based on the model of He and Hutchinson. Therefore, the determination of the fracture energy is suitable to provide an estimation of the behavior of an Ox/Ox. The prediction refers to cracks approaching at a 90° angle to the interface, which is more common for fabric reinforced material, since the fibers are evenly aligned. The random fiber orientation in short fiber reinforced material makes it less prone to the loss of damage tolerant behavior since the conditions for crack deflection are less strict. Thus, the damage tolerant behavior was not lost in short fiber reinforced Ox/Ox and the bending strength and the Young’s modulus increased from 83.4 MPa to 119.1 MPa and 41.7 GPa to 81.7 GPa. The strain at break decreased from 0.25 % to 0.16 %. The decreasing strain at break indicates a loss of damage tolerant behavior with a further reduction of the porosity. The experiments in this study showed, that the damage tolerant behavior can be predicted using solely monolithic samples. The direct comparison with fabric reinforced and short fiber reinforced Ox/Ox with the model of He and Hutchinson enabled a good insight and comparison of theory and experiment. These experiments were carried out on a new matrix for a mullite/mullite Ox/Ox. Up until now, no investigations regarding the strength estimation of the novel material were carried out. Further research could show what properties a matrix must possess in order to achieve not only damage tolerance, but also high strength in combination with the fibers.