5-Komposite 2015 16 - Universität des Saarlandes

Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
an der Universität des Saarlandes
HANDOUT
Vorlesung:
Keramische Komposite
Thermomechanische Eigenschaften und
zfP keram. Faserkomposite
21.01.2016
Leitsatz:
"Ceramic matrix composites ( CMC ) show, in comparison to monolithic ceramics,
high fracture toughness and damage tolerance, which only can be achieved if both
brittle components, the ceramic matrix and the ceramic fibers, interact with each other in an efficient way. When CMCs are loaded, cracks are generally initiated in the
matrix. For enhanced failure tolerance, the fibers must remain intact even when the
cracks in the matrix propagate toward the fiber - matrix interface. This is realized if
strength and fracture toughness of the fibers are well adapted to crack resistance of
the other components, such as the matrix and fiber - matrix interface."
Quelle: KO-1e, S. 231
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Keramische Komposite
Thermomechanische Eigenschaften
und zfP keramischer Faserkomposite
Ziele
Grundlegende theomechanische Charakteristika keramischer Faserkomposite aus der Konstitution, dem Bindungs- und Bruchverhalten an Grenzflächen und Interphasen ableiten, fallspezifisch anwenden und geeignete Methoden der zfP begründen können.
ð Grundlegende Konzepte des Materialsdesigns von WICs und
WMCs herleiten und mechanistisch begründen können
ð Thermomechanische Eigenschaften keramischer Faser-CMCs
sowie Ermüdungsverhalten herleiten und anwenden können
ð Methoden der zfP keramischer Faserkomposite einteilen, begründen und anwenden können
Inhalte
Grundlegende Konzepte Materialdesdign und Modellierung
WIC-Komposite, WMC-Komposite, Eigenschaften von WIC- und
WMC-Kompositen, Modellierung von WMC-Eigenschaften
Thermomechanik von Faser-CMCs
Grundlagen, Hochtemperaturverhalten, Ermüdung
ZfP von keramischer Faser-Komposite
Optische und haptische Untersuchungen, US-Analyse, Transmissionsanalyse, Echo-Puls-Verfahren, Anwendungsbeispiele
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Lerntafel 1
Grundlagende Konzepte Materialdesign
und Modellierung
Idealisiertes Spannungs-Dehnungsverhalten von CMC mit steifer und lasttragender
Matrix und einer genügend schwachen Grenzfläche (WIC= weak interface composite): (1) Bruchspannung der Matrix (2) Fortschreitender Faserbruch und Spannungsübertragung von der Faser zur Matrix (3) tatsächliche Steifigkeit (4) Kompositfestigkeit, zusätzliche Dehnung als Folge des Faser-Pullout. E 0 and E stellen die anfängliche Steifigkeit und die tatsächliche Steifigkeit dar, mit ε p and ε e als Restdehnung und korrespondierende elastische Dehnung.
[KO-1e, S. 233]
Nicht-sprödes und sprödes Verhalten bezogen auf die relative Bruchenergie der
Grenzfläche und der Faser als Funktion des Steifigkeitsverhältnisses von Faser und
Matrix. Es ist zudem qualitativ der Einfluss der Grenzflächenschwächung als Folge
von Oxidation im Fall von WIC sowie die Verstärkung der Matrixsteifigkeit asl Folge
der Matrixinfiltration von WMC dargestellt. [KO-1e, S. 234]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Einzelfaser Push-in Test von SiC/DiMOx mit initialem Debonding bei Raumtemperatur und Bildung von SiO2 mit der Folge der Schwächung der Grenzfläche nach
Oxidation bei 900°C. [KO-1e, S. 235]
Push-in Test (links) und korrespondierender Zugversuch (rechts) von CVIabgeleiteten SiC/SiC-Kompositen mit unterschiedlicher Faser-Matrix-Grenzfläche
(hohe Bonding-Festigkeit, geringe Reibung, und optimiert).[KO-1e, S. 236]
Makroskopisches Bruchverhalten von WMC (C/C) [KO-1e, S. 237]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Repräsentative Spannungs-Dehungskurven von a) WIC (CVI SiC/SiC) und b) WMC
(LPI C/C) mit Belastung in Längs- (0/90 ° ) und Querrichtung (±45°) [KO-1e, S. 237]
[KO-1e, S. 240]
WMC-Modellierung: Inelast. Schädigung und Bruch [KO-1e, S. 241]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk DEN-Probengeometrien und Bruchoberflächen [KO-1e, S. 241]
DEN-Versuche und entsprechende Modellierung der Festigkeiten als
Funktion der Ligamentbreite und Faserorientierung: a) 0°/90°; b) +45°/-45°
[KO-1e, S. 242]
Spannungs-Dehnungskurven aus DEN-Versuchen und entsprechend
Brechnete Kurvenverläufe als Funktion der Ligamentbreite und Faserorientierung
(a) 0°/90°; (b) +45°/−45° [KO-1e, S. 243]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Lerntafel 2:
Thermomechanik von Faser-CMCs
[KO-1e, S. 245]
σ−ε -Kurvenverläufe verschiedener WICs und WMCs [KO-1e, S. 246]
Vergleich verschiedener σ−ε -Diagramme [KO-1e, S. 247]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Ergebnisse aus Zugversuchen an C/SiC LPI-Proben bei verschiedenen Temperaturen nach Belastung in Längs- und Querrichtung [KO-1e, S. 247]
Kurzzeit-Biegeversuche an C/SiC LPI-Proben mit starkem Kriechen bei 1500 °C (a)
[KO-1e, S. 247]
Kurzzeit-Biegeversuche an C/SiC LPI-Proben ohne Kriechen bei 1200 °C (b) [KOVorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk 1e, S. 249]
Schematische Darstellung einer Oxidationsschutzschicht (OPS) auf einem
nichtoxidischen Substrat [KO-1e, S. 249]
Spannungs-Dehhnungsdiagramme von C/SiC mit einer antioxidativen Schutzschicht
nach Vorbehandlung unter Belastung und 5 thermischen Zyklen zur Simulation der
Wiedereintrittsbedingungen [KO-1e, S. 250]
(a) Typischer Spannungs-Dehnungsverlauf als Funktion der umgebenden
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Atmosphäre [KO-1e, S. 251]
(b) Statistische Ergebnisse aus Restfestigkeitsmessungen nach 50
thermischen Zyklen im Vergleich zur Anfangsfestigkeit [KO-1e, S. 251]
Ermüdungsversuche bei 100 Hz ohne Vorbelastung vor dem ersten Zyklus
[KO-1e, S. 252]
Ermüdungsversuche bei 100 Hz mit Vorbelastung vor dem ersten Zyklus
[KO-1e, S. 252]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Änderung der intrinsischen Aufheizung von CVI-SiC/SiC als Folge der zyklischen
Belastung und der resultierenden inneren Reibung als typischer
Ermüdungseffekt ohne und mit Vorbelastung [KO_1e, S. 253]
Ermittlung singulärer Hystereseschleifen mit typischem S-Kurvenverhalten
Mit ansteigendem Schubmodul in der Nähe des Spannungsumkehrpunktes
[KO-1e, S. 253]
[KO-1e, S. 254]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Normalisierte maximale auftrtetende Spannung als Funktion der Ermüdungslebensdauer (Wöhler-Kurve) von nicht beschichtetem 3D-SiC/SiC - Komposit
[KO-1e, S. 255]
Lerntafel 3:
ZfP von keramischer Faser-Komposite
Prinzip der Transmissions-Ultraschall-Analyse mit absoluter Signalstärke, die den
Detektor erreicht. [KO-1e, S. 264]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Transmissionsaufnahme einer CFRP Platte mit simulierten dreieckigen und rechteckigen Defekten in unterschiedlichen Tiefenbereichen [KO-1e, S. 265]
Prinzip der Echo-Puls-Analyse [KO-1e, S. 265]
Echo-Puls-Figur einer CFRP Platte mit simulierten Defekten in unterschiedlichen
Tiefenbereichen. Gleiche Tiefenbereiche besitzen gleiche Farbgebung
[KO-1e, S. 266]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk Wassergekoppelter US-Analysator mit einem, Wasserbad zur Kopplung [KO-1e, S.
266]
Luft gekoppelte Analyse einer C/C-Platte mit Delaminationen (a)
und verbesserte Auflösung der Delamination (b). [KO-1e, S. 267]
Prozesskontrolle von C/SiC-Platten mittels Luft gekoppeltem US.
Von links: CFRP-Zustand, nach Pyrolyse, nach Post-Pyrolyse, und
C/SiC Endzustand (DLR, Germany). [KO-1e, S. 268]
Vorlesung Keramische Komposite, WS 2015/16, PD Dr.-‐Ing. Guido Falk

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