Bauteilgrößenabhängige Skalierung der Festigkeit von keramischen Verbundwerkstoffen

Projektbeschreibung:

Keramische Verbundwerkstoffe (CMC) zeichnen sich durch hervorragende Thermoschock- und Temperaturbeständigkeit aus. Zudem ermöglicht die Faserverstärkung ein ausgeprägtes schadenstolerantes Versagensverhalten. Durch diese Eigenschaftskombinationen können diese Materialien unter hohen thermo-mechanischen Lastanforderungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in Friktionsanwendungen eingesetzt werden. Für die Ausweitung der CMC-Anwendungspotentiale müssen zuverlässige Vorhersagemodelle für die mechanischen Eigenschaften inklusive der Festigkeitsbewertung nutzbar sein.

Für CMCs kann ein Einfluss der Bauteilgröße auf die Festigkeit festgestellt werden. Obwohl solche Größeneffekte der Festigkeit vielfach beobachtet werden, sind die Erklärungsansätze bisher noch unzureichend. Es liegen kontroverse Interpretationen von der Nichtexistenz des Größeneffektes bis zur Beschreibung mit dem Weakest-Link Ansatz vor. Zudem lassen die experimentellen Befunde dieser Größeneffekte an CMCs bisher noch keine mögliche Vorhersage und Zuordnung des Größeneffektes in Bezug zum Verstärkungskonzept, den Herstellungsbedingungen oder der Materialart ableiten.

Das Forschungsvorhaben beabsichtigt daher die Ausprägung der größenabhängigen Skalierung der Festigkeit für CMCs aufzuklären und durch geeignete Modelle eine Beschreibung, Bewertung, Kategorisierung und Vorhersage abzuleiten. Durch das Verstehen dieser Größeneffekte wird das Wissen zum Materialverhalten der CMCs erweitert und ein wichtiger Baustein für die bruchstatistische Behandlung von Verbundkeramiken gelegt. Am Ende des Projektes soll eine Vorschrift für die Zuordnung eines beliebigen CMC-Werkstoffs zu möglichen Größeneffekten mit minimaler Anzahl an nötigen Schlüsselexperimenten aufgestellt werden. Durch das Verständnis des Größeneffektes und dessen geeigneter Modellierung sollen zuverlässigere Vorhersagen der Bauteilfestigkeiten und Ausfallwahrscheinlichkeiten getroffen werden können.

Zur Lösung der Fragestellungen wird die Probengröße unter Zugbelastung über mehrere Größenordnungen variiert. Die Probengröße definiert sich je nach Modellansatz über das geprüfte Volumen, die Probenlänge oder die Probendicke. Als Voraussetzung für die zuverlässige Bewertung der Festigkeitsskalierung wurde kürzlich vom Antragsteller Stefan Flauder ein Konzept zur Zugprüfung mit automatisierter Selbstausrichtung der Proben entwickelt und für die gültige Prüfung von C/C‑SiC evaluiert (externer Link). Die Skalierungen der Festigkeit werden analysiert und modelliert. Hierbei wird erstmalig für CMCs auch der energetische Größeneffekt der quasi-spröden Werkstoffe mitberücksichtigt. Die Mikrostrukturkenngrößen und Brucherscheinungen werden mit den charakteristischen Größen der Modellansätze verknüpft. Die Einflüsse auf den Größeneffekt und dessen Modellierung werden durch die gezielte Änderung der Faser-Matrix-Bindung eines CMC-Materials, der Evaluation von mindestens zwei unterschiedlichen CMC-Werkstoffen und der Zugprüfung bei unterschiedlichen Temperaturen untersucht.

Laufzeit: 09/2022 – 08/2025

Fördergeber: DFG

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Stefan Flauder