Untersuchung der Faser-Matrix-Wechselwirkungen durch Kombination von Experimenten und Phasenfeld-Modellierung zur Erhöhung der thermischen Stabilität von oxidkeramischen Verbundwerkstoffen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Julia Kundin; Dr.-Ing. Renato Saint Martin Almeida
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516465404

Oxidkeramische Faserverbundwerkstoffe (Ox-CMCs) wurden zwar zur Erhöhung der Schadenstoleranz von Keramiken konzipiert, sie erreichen aber bis heute noch nicht ihr volles Potenzial. Dies liegt vor allem an der unzureichenden thermischen Stabilität der polykristallinen Oxidfasern. Bei ca. 1000°C zeigen kommerzielle Oxidfasern Festigkeitsverluste, die durch mikrostrukturelle Veränderungen wie Kornwachstum, Defektbildung und Kristallphasenumwandlungen verursacht werden. Außerdem kann die Matrix die thermische Stabilität der Fasern aufgrund von Fasern-Matrix-Elementdiffusion beeinflussen. Der Verlust an Festigkeit kann kritisch werden, da Temperaturen oberhalb von 1000°C sowohl in der Herstellung als auch in den Anwendungen von Ox-CMCs auftreten können. Es ist deshalb zu erwarten, dass die Eigenschaften der Fasern vom ursprünglichen Zustand abweichen. Das Hauptziel des vorliegenden Projektes ist es daher, die mikrostrukturellen Veränderungen und Wechselwirkungen in unterschiedlichen oxidischen Faser-Matrix-Systemen bei hohen Temperaturen sowie die Einflüsse auf die makroskopischen Eigenschaften zu verstehen. Dieses Ziel soll durch eine Kombination experimenteller Untersuchungen mit Phasenfeld-Simulationen erreicht werden. Hierzu werden verschiedene Aluminiumoxid- und Mullitfasern in Oxidmatrizen unterschiedlicher Zusammensetzung vor und nach Wärmebehandlungen untersucht. Im experimentellen Teil soll die Entwicklung der Korngrößenverteilung und der Morphologie, Kristallphasenumwandlungen und die Elementdiffusion zwischen Faser und Matrix betrachtet werden. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dieser mikrostrukturellen Veränderungen mit den makroskopischen mechanischen Eigenschaften der Fasern und Verbundwerkstoffe korreliert. Parallel dazu wird ein 3D Phasenfeld-Modell für das anisotrope Kornwachstum in unterschiedlichen Faser-Matrix-Systemen entwickelt. Dieses Modell wird die kombinierten Auswirkungen von Anisotropie, chemischer Zusammensetzung der Komponenten, Kristallphasen, Segregation und Wirkung von Defekten auf die Kornwachstumsmechanismen berücksichtigen. Die wesentlichen Modellparameter werden durch den Vergleich mit den experimentellen Beobachtungen ermittelt. Auf Basis des neu entwickelten Verständnisses für die thermische Stabilität der Oxidfasern und den Vorhersagen zu Mikrostrukturänderungen, soll als zweites Projektziel ermöglicht werden, Ox-CMCs mit zielgerichteten angepassten Eigenschaften in Hinblick auf Festigkeit und thermische Stabilität zu entwickeln. Anders gesagt, die Ergebnisse der Modellierung werden dazu genutzt, die Matrixzusammensetzung auf die benutzte Oxidfaser und die vorgesehene Anwendung abzustimmen. Hierdurch können die Einsatzgebiete und die Zuverlässigkeit von Ox-CMCs erweitert werden. Ein weiterer Nutzen des Projektes liegt in der Möglichkeit, dass die Modellierung auch bei der Entwicklung neuer Oxidfasern helfen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen