Modelling of fracture in multi-layered ceramic composites

Spröde Keramiken mit mikrostrukturellen Defekten neigen zu katastrophalem Versagen. Eine vielversprechende Strategie zur Erhöhung der Rissbeständigkeit ist die gezielte Erzeugung von Eigenspannungen durch die Kombination von Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen in mehrschichtigen Verbundwerkstoffen. Eine druckeigenspannungsbehaftete Schicht kann die scheinbare Festigkeit erhöhen, indem sie die aufgebrachte Zuglast ausgleicht. Allerdings entstehen dabei zwangsläufig Zugeigenspannungen an anderen Stellen, die als kritische Rissbildungsorte wirken können. Diese Arbeit entwickelt Berechnungsmodelle auf Basis der finiten Bruchmechanik zur Vorhersage der Rissbildung in mehrschichtigen keramischen Verbundwerkstoffen unter verschiedenen Belastungsszenarien. Es wurden Finite-Elemente-Modelle für typische Belastungen wie Eigenspannungsaufbau beim Abkühlen nach dem Sintern, Temperaturschock und Kontakt mit einer harten Kugel implementiert. Die Rissbildung wurde anhand eines gekoppelten Spannungs-Energie-Kriteriums simuliert. Das Volumenverhältnis der Materialien bestimmt die Eigenspannungen, die zusammen mit den Schichtdicken maßgeblich die Rissbildung beeinflussen. Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und deren Mischung dienten als Modellwerkstoffe, an denen der Größeneffekt der Schichtdicke untersucht wurde. Es wurden parametrische Analysen für verschiedene Kombinationen von Schichtdicke und Eigenspannungen durchgeführt, um die Grenzen von Laminatarchitekturen zu ermitteln, die Eigenspannungen und schnell wechselnden Spannungen während eines Temperaturschocks standhalten können. Weitere parametrische Analysen wurden für die Eindrückung von Platten durch harte Kugeln durchgeführt, die einen Größeneffekt mit dem sich ändernden Durchmesser der Eindringkugel aufweisen. Der Ansatz der gekoppelten Kriterien führte zu experimentell verifizierten Bruchvorhersagen. Darüber hinaus lieferte er Einblicke in die Mechanismen der Rissbildung und erklärte beispielsweise die beobachtete Lage der Risse außerhalb der am stärksten beanspruchten Bereiche. Bei verschiedenen Belastungsszenarien wurden unterschiedliche Empfindlichkeiten gegenüber den Werten der Bruchzähigkeit und der Zugfestigkeit festgestellt.