Korrelation zwischen räumlich aufgelöster morphologischer und kristallographischer Textur in poröser Dieselpartikelfilterkeramiken und deren Auswirkungen auf ihr Mikrorissverhalten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Giovanni Bruno
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513605987

Die Grundidee dieses Antrags besteht darin, zum ersten Mal die Korrelation zwischen morphologischer (Porenraum) und kristallographischer (Domänenorientierung) Textur für mikrogerissene und poröse Dieselpartikelfilter (DPF)-Keramiken an der Meso- (sub-mm) und Makroskala (über die gesamte Probe) zu untersuchen. Wir planen den kombinierten Einsatz von ortsaufgelöster Röntgenrefraktions- und Röntgenbeugungstopographie. Mit Hilfe solcher Informationen auf der Meso- und Makroebene (d. h. integriert über die gesamte Probe und auch erhalten durch Neutronen- und konventionelle Röntgenbeugung oder durch die Analyse von Computertomographiedaten) wollen wir auch die Entwicklung der mechanischen (Elastizitätsmodul) und physikalischen (thermische Ausdehnung) Eigenschaften modellieren und dabei die Auswirkungen von Porosität und Mikrorissen auf solche Eigenschaften trennen. Dadurch wollen wir neue konstitutive Gesetze für solche Materialien erarbeiten. Im Allgemeinen sind nur sehr wenige Arbeiten über Partikelfilter öffentlich zugänglich, und ein großer Teil davon stammt vom Antragsteller. Dieses Projekt wird daher eine enorme Lücke im öffentlich zugänglichen wissenschaftlichen Verständnis der mechanischen und thermischen Eigenschaften mikrogerissener poröser Keramiken füllen. Mit Hilfe eines Mercator-Fellow werden detaillierte numerische und analytische Modelle entwickelt, um die Ausbreitung von Mikrorissen durch neuartige kohäsive Elemente (die während des Projekts entwickelt und mit TEM- und SEM-Daten gespeist werden sollen) zu berücksichtigen. Solche kohäsiven Elemente werden in der Lage sein, die Rissheilung, den Rissverschluss und die Wiederöffnung zu simulieren. Durch die Kombination von experimentellen und numerischen Daten sollen die Mechanismen der Mikrorissbildung weiter aufgeklärt werden. Daher ist ein weiteres Hauptziel des Projekts die Formulierung konstitutiver Gesetze (sowohl auf der Meso- als auch auf der Makroebene). Ein phänomenologisches konstitutives Modell wird auf einem repräsentativen Volumenelement aufgebaut werden. Der entwickelte numerische Rahmen soll als "virtuelles Labor" dienen, um Größen zu bestimmen, die nicht direkt messbar sind (z.B. die intergranulare Bindungsenergie). Es werden DPF-Keramiken mit unterschiedlichem Grad an Mikrorissen, Porosität und kristallografischer Textur untersucht (hochgradig mikrorissiges Aluminiumtitanat im Vergleich zu hochporösem, aber leicht mikrogerissenem Cordierit und nur porösem Siliziumkarbid). Herkömmliche mikrostrukturelle Charakterisierung (optische 3D-Mikroskopie, Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie, Hg-Porosimetrie) und Hochtemperatur-Youngs'-Modul-Messungen werden ebenfalls verwendet, um die Modelle mit Inputs- und Validierungsdaten zu versorgen. Schließlich werden auch schon vorhandene experimentelle Daten zum Vergleich herangezogen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen