Bildung thermisch-induzierter Rissmuster in anisotropen, faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit spröder Matrix

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Fleck; Professor Dr.-Ing. Walter Krenkel
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431968427

Die hervorragenden, thermo-mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit spröder Matrix hängen entscheidend von herstellungsbedingten, thermisch-induzierten Rissmustern ab. Ursache dieser Rissmuster sind lokale Zugspannungen, die im Verbund von steifen Fasern in einer schwindenden Matrix thermisch-induziert entstehen. Im geplanten Vorhaben wird die Bildung der Rissmuster in einem kombinierten Ansatz aus neuen bruchmechanischen Simulationen auf Basis der Phasenfeldmethode zusammen mit systematischen, maßgeschneiderten Experimenten untersucht.Besonders ist die mehrschichtige Verzahnung zwischen Simulation und Experiment. Zum Einen sind Simulationen und Experimente gemeinsam auf die Untersuchung von Variationen zugänglicher Material- und Prozessparameter (Faservolumengehalt, Aufheizrate, Faser-Matrix-Bindung) hin ausgerichtet. Zum Anderen wird sowohl im Experiment als auch in der Simulation gemeinsam die Komplexität der zugrundeliegenden Mikrostruktur durch Variationen der betrachteten Verstärkungsart stufenweise erhöht.Im Experiment geschieht die Untersuchung der Ausbildung von Rissmustern einerseits in-situ in der Heizzelle und andererseits durch schrittweise Unterbrechung des Pyrolyseprozesses mit anschließender umfassender Charakterisierung der Proben. In einem iterativen Vorgehen werden verschiedene Verstärkungsarten untersucht, wobei die geometrische Komplexität der Mikrostruktur stufenweise erhöht wird: Von unverstärkt über unidirektional bzw. alternierenden 0/90° Gelegen bis hin zu bidirektionalen Geweben. Die im Experiment auftretenden Rissmuster werden quantitativ vermessen, analysiert und mit den in der Simulation beobachteten Rissmustern verglichen. Als Eingangsparameter für die Simulationen werden das anisotrope Schwindungsverhalten, die Steifigkeiten und die Bruchzähigkeiten verschiedener Verbunde sowie reiner Matrizes jeweils als Funktion des Pyrolyse-Fortschritts bestimmt. Der Einsatz von Simulationen ermöglicht die mechanismenorientierte Erforschung der Bildung von thermisch-induzierten Rissmustern. Zwei hierarchisch-geschachtelte Modelle kommen für die jeweilige Beschreibung von sprödem Risswachstum auf den verschiedenen Längenskalen zum Einsatz. Auf mikroskopischer Längenskala werden sowohl die Fasern als auch die Matrix jeweils als eigene spröd-brechende Phasen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften modelliert. Auf der übergeordneten Mesoskala werden dann ganze Faserbündel jeweils als homogene, spröde Phasen mit homogenisierten Materialeigenschaften eines unidirektionalen Faser-Matrix Verbundes beschrieben.Nach erfolgreichem Abschluss des Forschungsvorhabens wird erwartet, dass für die immer wichtiger werdende Werkstoffklasse der faserverstärkten Verbundwerkstoffe mit spröder Matrix (z.B. C/C, C/C-SiC) ein umfassendes Verständnis über die Korrelation zwischen thermisch-induzierten Rissmustern und der Faser-Matrix-Bindung sowie den resultierenden Verbundeigenschaften vorliegen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen