Characterization and modeling of the mechanical properties of wound oxide ceramic composites
Creators: name: Shi, Yuan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017

description: In der vorliegenden Arbeit wurde ein durch Wickeltechnik hergestellter, Oxid/Oxid-Keramikverbundwerkstoff (Ceramic Matrix Composite-CMC) mit poröser Matrix (WHIPOXTM) untersucht. Ziel der Arbeit war die Charakterisierung und Modellierung der mechanischen Eigenschaften von gewickelten Faserverbundkeramiken mit unterschiedlichen Faserorientierungen. Hierfür wurden die Kenndaten einer virtuellen äquivalenten unidirektionalen Schicht (UD-layer) zuerst berechnet und anschließend durch die Inverse-Laminat-Theorie und ein modifiziertes Tsai-Wu Versagenskriterium angewendet.
Alle in dieser Arbeit angewendeten Modellierungsansätze werden auf der Basis von den mechanischen Untersuchungen und der Analyse der Mikrostrukturen entwickelt. Die vollständige Erfassung der Materialeigenschaften von WHIPOXTM bei unterschiedlichen Wickelwinkeln bzw. Faserorientierungen, einschließlich Steifigkeit, Festigkeit, Dehnung, elastischen und inelastischen Verhalten, erfolgt anhand von experimentellen „in-plane“ Untersuchungen. Nach der Mikrostrukturanalyse durch Micro-Computertomographie wird die Modellierung der mechanischen Eigenschaften in zwei Gruppen eingeteilt: WHIPOXTM mit Matrix-Schrumpfrissen (kurz auch WC für with cracks) und WHIPOXTM ohne Matrix-Schrumpfrisse (kurz auch NC für no cracks).
Eine besondere Schwierigkeit bei der Modellierung des mechanischen Verhaltens gewickelter CMCs, wie z. B. bei WHIPOXTM, besteht in den fehlenden Daten der Matrix- bzw. Fasereigenschaften nach der Fertigung des Verbundwerkstoffs. Die Herstellung von ausschließlich unidirektional verstärkten Laminaten (UD-Schicht) ist bei CMCs kritisch wegen des unbehinderten Schrumpfens der Matrix quer zur Faserverstärkung während der Abkühlphase. Damit stehen für die traditionellen Modellierungsmethoden und die klassischen Versagenskriterien keine repräsentativen experimentellen UD-Messdaten zur Verfügung. Alternativ werden fortgeschrittene Modellierungsansätze mit Hilfe von virtuellen äquivalenten UD-Schichten für die Beschreibung und die Vorhersage der Materialeigenschaften des untersuchten WHIPOXTM-Materials erstellt. Als Kernkomponente der Modellierungskette wurden die vollständigen Materialeigenschaften der äquivalenten UD-Schicht berechnet und ausgewertet: elastische Eigenschaften durch den inversen Ansatz auf Basis der klassischen Laminattheorie (CLT); Festigkeiten durch Anpassung der verschiedenen Testergebnisse zum modifizierten Tsai-Wu Versagenskriterium; Bruchdehnung unter Verwendung des inelastischen Verformungsfaktors Δ. Alle Werte werden unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Mikrostrukturen mit oder ohne Matrixrisse diskutiert und ermittelt. Durch das Stapeln dieser äquivalenten UD-Schichten mit beliebiger Faserorientierung, z. B. nicht-orthogonal, orthogonal und asymmetrisch (off-axis), wird ein äquivalenter Schichtverbund erzeugt und dessen Materialkonstanten können mittels der modifizierten Steifigkeitsmatrix vorhergesagt werden.
Um die mechanischen Eigenschaften mit mehr Genauigkeit vorherzusagen, müssen einige Besonderheiten der untersuchten Materialien berücksichtigt werden. Für den Verbundwerkstoff WHIPOXTM sind vier besondere Merkmale in den Modellierungsansätzen implementiert: Identifizierung der Inhomogenität der untersuchten Platten; Aufteilung der Modellierungsgruppen auf Basis der Analyse von Mikrostrukturen; Interaktion zwischen Festigkeit und Bruchdehnung mit Berücksichtigung der inelastischen Verformung; Fortschreibung des analytischen Modells für die verschiedenen Chargen mit der durch Herstellungsprozess bedingten Inhomogenität.
Aufgrund der guten Korrelation zwischen den Untersuchungs- und Modellierungsergebnissen konnte gezeigt werden, dass die Modellierungsansätze mit Berücksichtigung der oben genannten Materialbesonderheiten eine sehr genaue Vorhersage der „in-plane“ mechanischen Eigenschaften für CMC-Materialien ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit konnte eine allgemeine Vorgehensweise zur Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von gewickelten CMCs mit unterschiedlichen Faserorientierungen anhand der experimentellen Ergebnisse und der Mikrostrukturanalyse entwickelt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind sehr wertvoll für das zukünftige Design und die Entwicklung dieser Verbundwerkstoffe. Hierdurch wird das Anwendungspotential von CMC-Komponenten in Bereich wie der Luft- und Raumfahrttechnik und der Maschinenbau verbessert.