Zuverlässige Schichtverbunde aus Polymer und Keramik mit hoher Bruchzähigkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Hartwig; Dr.-Ing. Kamen Tushtev
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238906427

In diesem Forschungsvorhaben zweier Arbeitsgruppen sollen bruchzähe Schichtverbunde aus Polymer und Keramik entwickelt und deren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen verstanden werden. Hierzu werden keramische Hochleistungsfolien zu Schichtstapeln mit Polymeren verklebt. Es wird dabei angestrebt, dass die neuentwickelten Schichtverbunde hinsichtlich der Steifigkeit und Festigkeit den herkömmlichen Hochleistungskeramiken nahekommen und sie in wichtigen Eigenschaften wie Zuverlässigkeit und Bruchzähigkeit übertreffen. Die Verbundeigenschaften sollten in hohem Maße von der Bruchspannung und Bruchdehnung der Klebstoffe abhängen, weshalb diese systematisch eingestellt werden. Gleichzeitig soll eine minimale Menge an Polymer zum Einsatz kommen. Als Basissystem für die Klebstoffe werden kationisch härtende Epoxidharze eingesetzt. In Vorarbeiten haben wir festgestellt, dass diese bei der Modifikation mit teilkristallinen Polyesterpolyolen besonders hohe Bruchspannungen und -dehnungen erreichen können. Es gibt verschiedene Hinweise, dass diese herausragenden Eigenschaften durch eine Heterogenität des polymerisierten Klebstoffes bedingt sind, auch wenn diese makroskopisch betrachtet homogen erscheinen. Die Strukturen der Polycaprolactone werden systematisch variiert und diese Polymere dann für die Präparation der Klebstoffe eingesetzt. Das System ist für Grundlagenuntersuchungen besonders geeignet, da sich die Eigenschaften bei minimaler Änderung der chemischen Zusammensetzung in einem hohen Maße einstellen lassen. Durch photochemische Härtung der Klebstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen lässt sich die Heterogenität des Systems auch bei identischer chemischer Zusammensetzung variieren. Hiermit wird es möglich den Einfluss der Zusammensetzung und der Heterogenität auf das Eigenschaftsprofil separat zu untersuchen. Bei der Präparation der Schichtverbunde werden unterschiedliche Dickenverhältnisse von Keramik zu Klebstoff eingestellt, und es ist zu erarbeiten wie sich die mechanischen Eigenschaften der Keramikfolien und der Klebstoffe in Abhängigkeit vom Schichtaufbau auf die Eigenschaften des Schichtverbundes auswirken. Hierfür wurde ein umfangreiches experimentelles Programm zur physikalischen und mechanischen Charakterisierung der neuentwickelten duromeren Polymere die als Klebstoffe eingesetzt werden, der keramischen Folien und der gefertigten Schichtverbunde erstellt. Bei der Variation von Material- und Strukturparametern sollen hiermit wichtige Gesetzmäßigkeiten beleuchtet werden. Neben den experimentellen Untersuchungen sollen werkstoffspezifische Modelle aufgestellt und diese zur numerischen Simulation eingesetzt werden. Besondere Beachtung wird dem Rissausbreitungsprozess an der Keramik-Polymer-Grenze gewidmet. Auf der Basis der Erkenntnisse der Simulationsrechnungen werden Schichtverbunde mit vorausberechnetem optimiertem Eigenschaftsprofil gefertigt, deren experimentelle Charakterisierung auch die Verifizierung der FEM-Simulationen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Kurosch Rezwan