Kupfer-Keramik-Verbundwerkstoffe mit Durchdringungsstruktur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Verbundwerkstoffe mit einer keramischen Verstärkung, insbesondere mit einer interpenetrierenden Gefügestruktur (IPC, Interpenetrating Composites), weisen ein hohes Maß an thermischer Stabilität auf und können somit für Anwendungen mit hoher thermischer Belastung maßgeschneidert werden. Zielsetzung des Projektes war es ein weiterführendes Materialverständnis dieser Werkstoffe durch synthesebegleitende Materialprüfung zu erlangen. Hierfür erfolgte eine grundlegende Charakterisierung der quasi-statischen Eigenschaften und des Schädigungsverhalten der erzeugten Werkstoffe, neben einer Untersuchung des Verhaltens unter thermozyklischer Beanspruchung. Die Herstellung der Cu-SiC-Verbundwerkstoffe mit interpenetrierender Struktur erfolgte in einem mehrstufigen Prozess. Der Synthese mittels direktem Gießpressen (Squeeze Casting) war die Herstellung gesonderter SiC-Preforms durch wässrige Pulveraufbereitung vorgeschaltet. Zur Charakterisierung der Verbunde, speziell des thermozyklischen Verhaltens an kleinen Probengrößen, wurde eine Prüftechnik anhand von Cu-Al2O3-Verbunden realisiert und angewandt. Die werkstoffkundlichen Untersuchungen auf Basis von Mikrostrukturuntersuchungen mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit automatisierter Bildanalyse zur Bestimmung von Phasenanteilen, wurde durch die Ermittlung von quasi-statischen Eigenschaften durch Druck- und in-situ Zugversuche ergänzt. Die Bestimmung der Steifigkeitskennwerte (E-Modul, Schubmodul) erfolgte mittels Ultraschallphasenspektroskopie (UPS). Die Cu-Al2O3-Verbundwerkstoffe weisen ein homogenes Gefüge mit sehr geringer Mikroporosität (0,36 Vol.-%) auf, wodurch sich eine Steigerung des E-Moduls um 89% und eine Erhöhung des Schubmoduls um 95% bei einer Dichteverminderung um 32% gegenüber der reinen Cu-Matrix ergibt. Die Ergebnisse konnten mittels Druckversuchen bestätigt werden, wobei sich ebenso eine signifikante Erhöhung der Rp0,2 und Rp2-Dehngrenzen feststellen ließ. Das Probenversagen konnte in zwei Typen unterschieden werden. Zunächst ein Versagen durch die Bildung von zwei Hauptrissen in 45°-Neigung unter einem allmählichen Spannungsverlust und eine zweite spröde Versagensvariante unter Bildung von einem komplexen Rissnetzwerk unter 45° zur Belastungsrichtung. Die Schädigung bei beiden Varianten konnte auf einen hohen tri-axialen Spannungszustand in der Cu-Matrix zurückgeführt werden. Unter thermo-mechanischer Beanspruchung zeigte der Werkstoff ausgehend von einer Bruchlastspielzahl von 40 bei 400°C eine steigende Lebensdauer mit sinkender Maximaltemperatur. Die Grenzlastspielzahl von 104 wurde bei 250°C erreicht. In Bezug auf das Wechselverformungsverhalten verhielt sich der Werkstoff bei allen Maximaltemperaturen entfestigend. Der Vergleich mit Reinkupfer belegt die Problematik der inneren Spannungskonzentrationen bedingt durch die Kerbwirkung, zwischen keramischer und metallischer Phase. Die Gefügeuntersuchungen des Cu-SiC-Werkstoffes zeigten eine homogene Verteilung der SiC-Phase in der Probe bei einer, insbesondere an der Grenzfläche Cu / SiC lokalisierte, Mikroporosität von ca. 15 Vol.-%. Durch höhere Werkzeugtemperaturen während der Synthese konnte hier eine deutliche Verbesserung um 11% erzielt werden. Das E-Modul des Verbundes ebenso wie die Druckfestigkeit blieben hinter den theoretisch erwarteten Werten zurück, zurückzuführen auf eine ungenügende Grenzflächenanbindung zwischen Cu-Matrix und SiC.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
(2015): Syntheis of Copper/Silicon-Carbide Composites in a Thermodynamic Disequilibrium. In: Materials Science Forum (Vols 825-826), S. 189–196
Klement, M.; Nagel, A.; Lott, O.
-
Mechanical characterization and damage evolution of a Cu-SiC – Interpenetrating Metal Matrix Composite manufactured by a squeeze-cast infiltration method. In: 17th European Conference for Composite Materials (ECCM17), 26-30th June 2016
Reeb, A.; Wanner, A.; Weidenmann, K. A.
-
Thermo-mechanical fatigue behavior of a copper-alumina metal matrix composite with interpenetrating network structure, In: International Journal of Engineering Research & Science, Vol.2 (2), 2016
Reeb, A.; Dietrich, S.; Walter, V.; Pinter, P.; Weidenmann, K.A.; Wanner, A.
