Einfluss der Kornpackung auf das bruchmechanische Verhalten kohlenstofffreier grobkörniger Feuerfestwerkstoffe

• Antragsteller: Dr.-Ing. Jens Fruhstorfer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437193866

Feuerfestkeramiken werden u.a. in kohlenstofffreie und kohlenstoffgebundene Materialien klassifiziert. Die kohlenstofffreien Materialien haben die Vorteile, dass sie im geschlossenen Kreislauf nachhaltig recycelbar und arbeitssicherheitstechnisch unkomplizierter sind, da sie keine krebserregenden Peche oder Harze enthalten. Aus technologischer Sicht weisen allerdings die kohlenstoffgebundenen Materialien eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit auf, welche im Einsatz oft eine entscheidende Anforderung ist. Die Temperaturwechselbeständigkeit wird dabei über den Festigkeitsverlust mit Thermoschocks charakterisiert. Sie wird besser, wenn einem laufenden Riss mehr Energie entzogen wird.In meiner Dissertation untersuchte ich den Einfluss der Korngrößenverteilung grobkörniger Feuerfestmaterialien u.a. auch auf das Festigkeitsverhalten bei Thermoschock. In Abhängigkeit der Kornpackung wurden dabei Festigkeitsverluste zwischen 0 und 70% beobachtet. Null Prozent bedeutet dabei, dass die Ausgangsfestigkeit erhalten blieb, was ein unerwartet exzellentes Ergebnis ist. Die großen Unterschiede sind dabei auf das eingestellte Gefüge zurückzuführen. Es wurden Hypothesen aufgestellt, welche energiedissipierenden Mechanismen zu den Unterschieden geführt haben könnten. Die Hypothesen betrachteten dabei bruchmechanische Phänomene wie u.a. Rissumlenkung am Grobkorn und Reibungseffekte zwischen den Rissflanken aufgrund einer Verzahnung des grobkörnigen Gefüges.Die Untersuchung der Hypothesen ist das Kernthema des beantragten Projektes. Die Klärung der gefügetechnischen Einflüsse auf das bruchmechanische Verhalten verspricht dabei, dass man die Mechanismen durch die Korngrößenverteilung einstellen kann. Damit könnten zukünftig u.U. kohlenstofffreie, recycelbare Feuerfestwerkstoffe mit einer hervorragenden Thermoschockbeständigkeit hergestellt werden.Um die wirkenden Mechanismen zu identifizieren und mit bestimmten Einstellungen der Korngrößenverteilung zu verknüpfen, werden Proben erst gefügetechnisch untersucht und dann bruchmechanisch mit Hilfe von Keilspalttests. Aus den Kraft-Verschiebungskurven der Keilspalttests kann die Brucharbeit berechnet werden, welche den gesamten Energieverbrauch charakterisiert. Außerdem kann aus den Kurven berechent werden, ob sich der Widerstand gegen Rissausbreitung mit fortschreitendem Riss vergrößert, was oft auf eine vergrößerte Rissprozesszone zurückzuführen ist. Die Prozesszone kann sich dabei u.a. durch Rissumlenkung vergrößern, was auch während der Keilspaltversuche mit Digital Image Correlation nachvollzogen werden soll. In Mini-Keilspaltversuchen kann außerdem mikroskopisch beobachtet werden, was im Gefüge während des Tests passiert. Änderungen in den Kraft-Verschiebungskurven können dadurch u.U. den genannten Mechanismen zugeordnet werden. Zusätzlich ist geplant, die Proben nach den Keilspalttests mikroskopisch zu untersuchen, um die Erkenntnisse aus den Mini-Keilspalttests zu belegen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Österreich
• Gastgeber: Professor Dr. Harald Harmuth