Herstellung, Charakterisierung und Modellierung interpenetrierender Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe auf Basis hochhomogener Schaumstrukturen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Katrin Schulz; Professor Dr.-Ing. Kay A. Weidenmann
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397372123

Das Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Modellierung von Durchdringungsverbundwerkstoffen auf Basis hochhomogener, keramischer Schaumstrukturen. Maßgebend für die resultierenden Verbundeigenschaften in Durchdringungsverbundwerkstoffen ist dabei die Gefügehomogenität der verwendeten Schaumstruktur. Mit dem im Rahmen dieses Antrags zum Tragen kommenden, innovativen Schaumherstellungsverfahren, das aus dem Bereich der Hochtemperaturwärmeisolation abgeleitet ist, können erstmals neuartige Keramikschäume mit hochgradig homogener Struktur und hohen Porositätsanteilen prozesssicher und ressourceneffizient ohne den Einsatz porenformender Füllstoffe hergestellt werden. Die Schäume werden zur Durchführung des Projektes von der Firma Morgan Advanced Materials Haldenwanger GmbH mit unterschiedlichen Porenvolumengehalten zur Verfügung gestellt. Da die durch diesen patentierten Prozess hergestellten Preforms bislang nicht zur Herstellung von Durchdringungsverbundwerkstoffen verwendet wurden, sind die Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen unbekannt. Generell existieren wenige Untersuchungen zum Verhalten von Durchdringungsverbundwerkstoffen unter bauteilnahen Beanspruchungen, insbesondere bei thermo-mechanischer Ermüdung. Durch die Infiltration des hochhomogenen Aluminiumoxidschaums mit einer AlSi12-Legierung wird insbesondere im Bereich thermisch hochbeanspruchter Bauteile, wie z.B. Motorkomponenten, weiteres Leichtbaupotential erschlossen. Das Forschungsvorhaben befasst sich dabei ganzheitlich mit diesen neuartigen Durchdringungswerkstoffen. Die vorgesehenen Untersuchungen umfassen dementsprechend die Herstellung der Durchdringungswerkstoffe inklusive der prozessbegleitenden Analyse der Verbundkonstituenten, die werkstoffkundliche Charakterisierung der erzeugten Verbunde sowie die Modellierung dieser neuartigen Schaumstrukturen und insbesondere der damit erzeugten Verbundwerkstoffe unter mechanischer, thermischer und thermo-mechanischer Beanspruchung. Das Schädigungsverhalten soll dabei in allen Belastungsfällen durch in- und ex-situ Untersuchungen analysiert und dokumentiert werden, um damit ein genaues Verständnis der auftretenden Schädigungsmechanismen und des Schädigungsablaufes im Verbund zu erhalten. Dies soll daraufhin auch mithilfe von geeigneten Ansätzen in einem numerischen Modell abbildbar gemacht werden. Darauf aufbauend werden geeignete Lebensdauervorhersagemodelle ausgewählt und weiterentwickelt. Ein weiterer für spätere Anwendungsfalle interessanter Aspekt ist das Selbstausheilungspotential dieser Werkstoffe, welches zum jetzigen Stand der Forschung nicht unter werkstoffkundlichen Gesichtspunkten erforscht wurde, daher soll im Zuge des Vorhabens erstmals untersucht werden, inwiefern sich in Metall-Keramik-Durchdringungsverbundwerkstoffen eine Selbstheilung nach Überbeanspruchung realisieren lässt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen