Hochtemperaturstabilität von Aluminiumoxid- und Mullit-basierten Fasern: Experimentelle Untersuchungen und Phasenfeld-Modellierung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Julia Kundin; Dr.-Ing. Kamen Tushtev
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327298888

Die Weiterentwicklung von oxidbasierten keramischen Faserverbundwerkstoffen (Ox-CMCs) mit immer höherer Festigkeit, Steifigkeit und gleichzeitig einem schadenstoleranten Verhalten fokussierte sich über eine lange Zeit auf die Suche nach neuen Matrixsystemen und Herstellungsverfahren, sowie auf die Einstellung einer optimalen Faser-Matrix-Grenzfläche. Heutzutage scheinen solche "konventionelle" Methoden an ihre Grenzen zu stoßen. Grundlagenstudien an oxidischen Fasern und Faserverbundwerkstoffen zeigten im letzten Jahrzehnt die prinzipielle Möglichkeit, die mechanische Leistungsfähigkeit von Ox-CMCs durch eine optimale Ausnutzung der oxidischen Fasern weiter zu steigern. Die kommerziell verfügbaren oxidischen Fasern weisen im "as received" Zustand sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Aufgrund von Kornwachstum und Phasenumwandlungen degradieren diese aber relativ schnell, sobald die Fasern höheren Temperaturen von über 1000°C ausgesetzt werden. Solche Temperaturen können sowohl bei der Herstellung als auch bei der Anwendung von Ox-CMCs auftreten. Das Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist ein vertieftes Verständnis, modelhafte Beschreibung und Vorhersage der grundlegenden Mechanismen des Kornwachstums in oxidischen Fasern in Abhängigkeit der umgebenden Matrix und der Hochtemperaturbelastung. Dieses soll durch eine Kombination von Phasenfeld-Modellierungen und experimentellen Untersuchungen an Aluminiumoxid- und Mullit-basierten Fasern, eingebettet in oxidischen Matrices mit verschiedener Zusammensetzung, erreicht werden. Des Weiteren soll der Effekt der mikrostrukturellen Veränderungen auf das quasistatische und Langzeit-Faserverhalten bei hohen Temperaturen evaluiert werden. Anhand experimenteller Untersuchungen werden die Korngrößenverteilung und Morphologie in Abhängigkeit der Matrixzusammensetzung und Auslagerungstemperatur erfasst. Die entsprechenden Änderungen der Festigkeit und der Kriecheigenschaften werden an einzelnen Fasern, Faserbündeln und Kleinstverbundproben untersucht. Die für das Kornwachstum verantwortlichen Mechanismen werden anhand der Phasenfeld-Modellierungen in Rückkopplung mit den Ergebnissen der Kornwachstumsexperimente untersucht. Dabei werden verschiedene Phänomene wie Anisotropie des Kristallwachstums, Korngrenzendiffusion von Matrix-Komponenten, Entstehung und Entwicklung von Verunreinigungen und Poren berücksichtigt. Die angestrebte verbesserte Vorhersagbarkeit der mikrostrukturellen Veränderungen wird neue Wege zur Optimierung der Matrixzusammensetzung im Hinblick auf die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Fasern zeigen. Dementsprechend wird mehr Flexibilität in Bezug auf die Festigkeit und die Hochtemperaturbeständigkeit bei der Anpassung der Verbundeigenschaften an spezifischen Anwendungen erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen