3D Simulation des Herstellungsprozesses von Verbundwerkstoffen mit einer SiC-Matrix

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Schnack
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 164459468

In der Vergangenheit wurden in der Forschungsgruppe von Professor Schnack in mehreren Projekten Phasenfeld Modelle entwickelt, um die Entwicklung von Mikrostrukturen während des CVI-Prozesses vorherzusagen. In allen diesen Projekten wurde das Phasenfeldmodell numerisch nur zweidimensional für den Fall der Infiltration mit Kohlenstoff und den Fall der Infiltration mit SiC realisiert. Heute ist die Klärung der räumlichen Verteilung der Morphologie des abgeschiedenen Kohlenstoffs, Siliziums und Siliziumcarbids immer noch eine Herausforderung für Forscher, die auf dem Gebiet der chemischen Gasphaseninfiltration mit SiC durch die Pyrolyse von Methyltrichlorosilan arbeiten. Die räumliche Verteilung der Morphologie wiederum ist entscheidend für die Eigenschaften des Produkts. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projektes besteht darin, die Verteilung der Morphologie der durch den CVI-Prozess in einer 3D-Faserstruktur abgeschiedenen Matrix vorherzusagen. Auf der Basis der Bestimmung der treibenden Kraft für die Bildung der verschiedenen Komponenten durch thermodynamische Studien soll das Mehrphasenmodell zur Vorhersage der Entwicklung jeder Komponenten entwickelt werden. Um zu einem besseren Verständnis des Mechanismus der Abscheidung von SiC zu gelangen, werden am Institut für Technische Chemie und Polymerchemie experimentelle Untersuchungen im Labormaßstab von Dr. Li und anderen Mitarbeitern in der Arbeitsgruppe Deutschmann durchgeführt. Durch thermodynamische Berechnungen wird zunächst der Einfluss der Reaktionsbedingungen auf die Abscheidung von Si, C und SiC geklärt. In Laborexperimenten werden alle für die Erarbeitung eines Mehrphasenmodells der chemischen Gasphaseninfiltration mit SiC notwendigen thermodynamischen und kinetischen Daten erarbeitet. Danach wird das Mehrfeldproblem für die Vorhersage der Entwicklung der Morphologieverteilung der verschiedenen Phasen und Komponenten (Si, C und SiC) während des CVI-Prozesses formuliert, um die Evolution für die verschiedenen Phasen und Komponenten vorherzusagen. Danach wird das Phasenmodel numerisch für den Fall der Interaktion mit 3D Filamenten implementiert. Zur Lösung werden moderne Dekompositionsstrategien entwickelt und auf einer Parallelmaschine realisiert, um das großformatige, zeitabhängige nicht lineare System partialer Differentialgleichungen lösen und vor allem auch effizient bearbeiten zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr.-Ing. Aijun Li