Modellierung des mechanischen Verhaltens von Faserverbundkeramiken bei hohen Temperaturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Projekt wurden zum einen mechanische Tests durchgeführt, um die Eigenschaften der untersuchten keramischen Verbundwerkstoffe zu bestimmen. Zum anderen wurden FE-basierte Modelle entwickelt, mit deren Hilfe die Berechnung der mechanischen Eigenschaften von einfachen Geometrien ermöglicht wurde. Die Experimente umfassten zum einen Hochtemperaturversuche unter oxidierenden Bedingungen. Hierbei zeigte sich, dass der C/C-Werkstoff und auch der oberflächen-silizierte Verbundwerkstoff eine starke Oxidationsanfälligkeit zeigen. Die Oxidationsraten konnten ermittelt werden und die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Oxidation untersucht werden. Auch wenn die Oxidation von C/C-Werkstoffen zunächst als wenig zielführend erscheint, da ab 600°C mit einer starken Degradation zu rechnen ist, sind die gewonnenen Erkenntnisse dennoch von Bedeutung, da die untersuchten Werkstoffe zum einen für Kurzzeitbeanspruchungen entwickelt werden (Bereich Raumfahrt) oder durch Oxidationsschutzschichten auch für längere Einsatzzwecke (Bereich Energietechnik, Gasturbine) genutzt werden sollen. Die im Projekt erzielten Ergebnisse geben Aufschluss, welche Restbeständigkeit die C/C-Werkstoffe bei auftretenden Rissen in den Oberflächenschutzschichten haben. Des Weiteren wurden im Projekt die interlaminaren Eigenschaften von CMCM untersucht. Hier wurden verschiedene Verfahren getestet und gegenübergestellt. Neben dem häufig durchgeführten Kurzbiegeversuch wurden Iosipescu-Tests und Druckscherversuche, aber auch Torsionsscherversuche durchgeführt, mit deren Hilfe die interlaminaren Kennwerte unter Mode I, II und III ermittelt und in die FE-Modellierung integriert werden konnten. Zusätzlich wurden an kurzfaserverstärkten C/C-SiC-Werkstoffen ebenfalls Versuche zur Oxidationsstabilität durchgeführt und die Abhängigkeit von der Orientierung der Kurzfasern auf das mechanische Verhalten vor und nach Oxidation untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Silizierung der Matrix eine Steigerung der Oxidationsstabilität erreicht werden kann, dass aber der Effekt einer passivierenden Oxidation von SiC zu SiO2 keine Langzeitstabilität bringt. Sowohl die Versuchsergebnisse der Tests an Langfaser-CMC als auch an kurzfaserverstärkten Verbundwerkstoffen wurden in FE-Modellen implementiert. Bei Langfaser-CMC wurden die in der ersten Antragsphase entwickelten Modelle weiterentwickelt. Die anisotropen Eigenschaften konnten in Abhängigkeit vom Laminataufbau und der Ausrichtung der Fasern gültig vorhergesagt werden. Es wurden für C/C und oberflächen-siliziertes C/C temperaturabhängige Schädigungsmodelle entwickelt, die sich mit der Gefügeentwicklung in Abhängigkeit von Herstell-, Auslagerungs- und Prüftemperatur korrelieren lassen. Die Rissausbreitung in der porösen C-Matrix wird maßgeblich von der lokalen Orientierung und Ausprägung der Kohlenstoffstapel beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, wie die Festigkeit und die Faser-Matrix-Anbindung von den thermischen Randbedingungen beeinflusst wird und wie sich daraus die mechanischen Ergebnisse im Scherversuch aber auch im Push-in-Versuch, bei dem die Grenzflächeneigenschaften zwischen Faser und Matrix bewertet werden, erklärt werden können. Bei kurzfaserverstärkten Werkstoffen wurden die anisotropen Eigenschaften im FE-Modell mit Hilfe der im CT bestimmten Faserorientierungen berechnet. Durch diese Ansätze wurden die bisherigen makromechanischen Modelle durch Modelle in der Meso-Ebene erweitert. Eine Kombination der verschiedenen Modellebenen wird zukünftig angestrebt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Evaluation of mechanical properties and comprehensive modeling of CMC with stiff and weak matrices. Advances in Science and Technology, Vol. 45. 2006, pp. 1435-1443.
D. Koch, K. Tushtev, J. Horvath, R. Knoche, G. Grathwohl
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AST.45.1435) - Multiphase Fibre Composites. In: Riedel [Ed]: Ceramic Science and Technology, Wiley 2007, pp. 513-84.
D. Koch, R. Knoche und G. Grathwohl
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/9783527631926.ch12) - Ceramic Fiber Composites: Experimental Analysis and Modeling of Mechanical Properties. Composites Science and Technology, Vol. 68. 2008, Issue 5, pp. 1165–1172.
D. Koch, K. Tushtev und G. Grathwohl.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.06.029) - Elastic properties of braided ceramic matrix composites.
International Journal of Materials Research, Vol. 99. 2008, No. 11, pp. 1262-1267.
K. Tushtev, D. Koch und G. Grathwohl
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.3139/146.101761) - Microstructural Modeling and Thermomechanical Properties. In: Ceramic Matrix Composites – Fiber Reinforced Ceramics and their Applications, W. Krenkel [Hrsg.] Wiley-VCH, 2008, pp. 231-259.
D. Koch
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/9783527622412.ch10) - Effects of thermal and thermomechanical induced mechanical changes of C/C composites. Carbon, Vol. 48. 2010, Issue 10, pp. 2980–2988.
L. Gaab, D. Koch, G. Grathwohl
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2010.04.040)
