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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Zuge des Projektes wurde das Härtungs- und Pyrolyseverhalten sowie bruchmechanische und thermische Kennwerte verschiedener Phenolharzsysteme und Composite charakterisiert. Vernetzungskinetik, Kohlenstoffrückstand und Pyrolysereaktionen sind dabei mit dem Härtergehalt über die entstehende Polymerstruktur verknüpft. Die Bruchzähigkeit der Composite sinkt durch die zunehmende Keramisierung der Matrix während der Pyrolyse, was eine Rissentstehung bei beginnender Pyrolyse der Matrix begünstigt. Die Schrumpfung der Materialien wird durch die Faserverstärkung in die jeweiligen Verstärkungsrichtungen nahezu vollständig behindert. Die hierdurch entstehenden Spannungen führen zusammen mit der abnehmenden Bruchzähigkeit zu charakteristischen interlaminaren Matrixrissen. Die Morphologie des Rissmusters wird durch die Faserverstärkung und Faser-Matrix-Bindungsstärke geprägt. Alle entstehenden Rissmuster wurden bezgl. des interlaminaren Rissabstan-des und der dazugehörigen Rissbreite hin mit sehr hoher Messpunktsanzahl charakterisiert. Durch in-situ Heizzellen Experimente konnte die Rissentstehung im Faserbündel und das Wachstum in die Matrix direkt gezeigt werden. Die thermischen und (bruch-)mechanischen Kennwerte konnten als direkte Eingangsparameter in neu entwickelte Phasenfeldsimulationsmodelle integriert werden. Die durch Simulationsmodelle vorhergesagten Rissmorphologien, Risswachstum und Spannungsfelder konnten durch Experimente direkt verifiziert werden und stellen hierbei ein wertvolles Werkzeug für zukünftige Forschungsarbeiten im Bereich thermisch induzierter Rissbildung für verschiedene Werkstoffklassen dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Phase-Field Modeling of Precipitation Microstructure Evolution in Multicomponent Alloys During Industrial Heat Treatments. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 70-78. Springer International Publishing.
  Fleck, Michael; Schleifer, Felix; Holzinger, Markus; Lin, Yueh-Yu & Glatzel, Uwe
  
• Quantitative Shape-Classification of Misfitting Precipitates during Cubic to Tetragonal Transformations: Phase-Field Simulations and Experiments. Materials, 14(6), 1373.
  Lin, Yueh-Yu; Schleifer, Felix; Holzinger, Markus; Ta, Na; Skrotzki, Birgit; Darvishi, Kamachali Reza; Glatzel, Uwe & Fleck, Michael
  
• Simulation of the θ′ Precipitation Process with Interfacial Anisotropy Effects in Al-Cu Alloys. Materials, 14(5), 1280.
  Ta, Na; Bilal, Muhammad Umer; Häusler, Ines; Saxena, Alaukik; Lin, Yueh-Yu; Schleifer, Felix; Fleck, Michael; Glatzel, Uwe; Skrotzki, Birgit & Darvishi, Kamachali Reza
  
• Consistent Quantification of Precipitate Shapes and Sizes in Two and Three Dimensions Using Central Moments. Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 11(2), 159-171.
  Schleifer, Felix; Müller, Moritz; Lin, Yueh-Yu; Holzinger, Markus; Glatzel, Uwe & Fleck, Michael
  
• Frictionless Motion of Diffuse Interfaces by Sharp Phase-Field Modeling. Crystals, 12(10), 1496.
  Fleck, Michael; Schleifer, Felix & Zimbrod, Patrick
  
• On diffuse interface modeling with super efficient spatial resolutions. European Mechanics of Materials Conference 18, Oxford, UK, 04.04.2022 (2022)
  M. Fleck & F. Schleifer
  
• Reactivity, pyrolysis, mass-loss kinetics and carbon residue of phenol-formaldehyde resins with different hexa-contents. Ceramics in Europe, 10. – 14.07.2022, Krakau, Polen (European Ceramic Society, ECerS) (2022)
  F. Wich, N. Langhof, W. Krenkel & S. Schafföner
  
• Sharp phase-field modeling of isotropic solidification with a super efficient spatial resolution. Engineering with Computers, 39(3), 1699-1709.
  Fleck, Michael & Schleifer, Felix
  
• Sharp phase-field modeling of isotropic solidification with a super efficient spatial resolution. Multiscale Materials Modeling 10, 02.-07.10.2022 Baltimore, MD, USA (2022)
  M. Fleck & F. Schleifer
  
• The Elastic Effect of Evolving Precipitate Shapes on the Ripening Kinetics of Tetragonal Phases. Metallurgical and Materials Transactions A, 54(5), 1843-1856.
  Schleifer, Felix; Lin, Yueh-Yu; Glatzel, Uwe & Fleck, Michael
  
• Crack pattern evolution during the pyrolysis of unidirectional fiber reinforced ceramic matrix composites. XVIII ECers, 02. – 06.07.2023, Lyon, Frankreich (European Ceramic Society, ECerS) (2023)
  F. Wich, M. Moos, N. Langhof, W. Krenkel & S. Schafföner
  
• Influence of fibre volume content, reinforcement architecture and fibre orientation on the thermally induced crack pattern of C/C-composites - An experimental and statistical investigation. 11th International Conference on High Temperature Ceramic Matrix Composites (HT-CMC), 27. – 31.08.2023, Jeju, Südkorea (2023)
  F. Wich, M. Moos, N. Langhof, W. Krenkel & S. Schafföner
  
• Influence of hexa on crosslinking and pyrolysis of novolak resins applied as carbon precursors for cmc. Indo-German workshop on recent advances in polymer/precursor derived ceramics: Bridging the boundaries and catalysing translational research (PDC-IT), 6. – 10.03.2023, Chennai, Indien (IGSTC) (2023)
  F. Wich, C. Sitzmann, N. Langhof, W. Krenkel & S. Schafföner
  
• Processing properties and pyrolysis behavior of novolak-hexamethylenetetramine mixtures. Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, 9(1).
  Wich, Felix; Flauder, Stefan; Schneider, Natalie; Fleck, Michael; Langhof, Nico; Krenkel, Walter & Schafföner, Stefan