Entwicklung neuartiger Pufferschichten für exzellente Performanz von UHTCs; Untersuchung der Diffusionsmechanismen

• Antragsteller: Professor Dr. Hans-Joachim Kleebe
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323778385

ZrB2 stellt eine Ultra-Hochtemperatur Keramik (UHTC) mit einem Schmelzpunkt oberhalb 3000°C und interessanten technischen und physikalischen Eigenschaften dar. Daher ist ZrB2 als potentieller Kandidat für die Raumfahrt und den Überschalleinsatz prädestiniert. Jedoch stehen einer weitreichenden Anwendung von ZrB2 Keramiken deren geringe Schadens-toleranz, die schlechte Oxidationsbeständigkeit und die relativ hohe Dichte entgegen. Der Einsatz diskontinuierlicher SiC Fasern erlaubt einen deutlichen Anstieg der Bruchzähigkeit von ZrB2 auf über 6 MPa·m½ bei gleichzeitiger deutlicher Abnahme der Dichte. Zusätzlich kann die Zugabe von Sekundärphasen wie MoSi2 die Hochtemperaturfestigkeit und vor allem die Oxidationsbeständigkeit wesentlich verbessern.Das vorrangige Ziel dieses Projektes ist es, ein UHTC Komposit zu generieren, das eine äußere Schicht von ZrB2-MoSi2 aufweist, um Oxidations- und Ablationswiderstand zu gewährleisten, und einen nach innen kontinuierlich ansteigenden SiC-Faseranteil besitzt, um eine höhere Schadenstoleranz und eine geringe Dichte zu erreichen. Die wesentliche Hürde, die es zu überwinden gilt, ist die nachteilige chemische Reaktion zwischen Mo-Verbindungen und SiC-Fasern während des Sinterns, was zu einer erheblichen Degradation der Fasern und somit zu einem Verlust deren risszähigkeitssteigernden Funktion (Schadenstoleranz) führt.Um das oben genannte Ziel zu erreichen, liegt der Fokus des Projektes auf der Entwicklung einer neuartigen ZrB2-basierten Zwischenschicht, die die chemische Reaktion zwischen SiC-Fasern und Mo-Verbindungen unterbindet, und auf der Untersuchung der Interdiffusion über die Grenzschicht während des Sinterprozesses und anschließender Oxidation. Es ist geplant, Mischungen von ZrB2 und Si3N4, SiCN und HfSiN für die Diffusionsbarriere einzusetzen. Das Verständnis der ablaufenden chemischen Reaktionen über die Diffusionsgrenze hinweg wird als Grundvoraussetzung für das Design einer neuartigen UHTC für den Einsatz unter extremen Bedingungen angesehen.Das Arbeitsprogramm umfasst die Entwicklung verschiedener keramischer Verbunde mit unterschiedlicher Zusammensetzung der Diffusionsbarriere und die detaillierte mikro-strukturelle Charakterisierung der gesinterten und oxidierten Probenkörper mittels Trans-missionselektronenmikroskopie (TEM). Diese Untersuchungen, gekoppelt mit thermo-dynamischen Vorhersagen, sind essenziell, um die lokalen Diffusionsprozesse aufzudecken und eine optimierte Zusammensetzung der Diffusionsbarriere zu definieren. Thermo-mechanische Charakterisierung und Arc-Jet Tests der optimierten Komposite werden durchgeführt, um das Eigenschaftsprofil der neuartigen Materialien zu evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen