Processing and characterization of textured ceramic layered architectures

Titel in Übersetzung: Herstellung und Charakterisierung von texturierten Keramiken in geschichteten Architekturen

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Keramiken sind anorganische nichtmetallische Materialien, welche sowohl bei Struktur- als auch Funktionswerkstoffen zum Einsatz kommen. Sie beeindrucken durch herausragende mechanische (z.B. hohe Temperatur-, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit), chemische und elektrische Eigenschaften (z.B. stark nicht-linearer elektrischer Widerstand, hoher Piezo-elektrischer Koeffizient). Sie haben jedoch, im Vergleich zu metallischen Materialien, eine sehr geringe Bruchzähigkeit. Darüber hinaus führen Defekte unterschiedlicher Größe, eingebracht durch die Herstellung, die Bearbeitung oder während des Einsatzes, zu einer Streuung der Bruchspannung. Dies macht den Einsatz keramischer Bauteile in manchen Bereichen schwierig. Um die Bruchzähigkeit von Keramiken zu verbessern, werden von der Biologie inspirierte Multischicht-Bauteile hergestellt. Die Grenzflächen zwischen den Schichten können schwach oder stark sein. In den Schichten können Eigenspannungen eingestellt werden. Beides kann eine effektive Behinderung der Rissausbreitung verursachen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass durch die Texturierung des Gefüges und durch eine gezielte Architektur der Schichtdicke und -anordnung, eine deutliche Verbesserung der Bruchzähigkeit erreicht werden kann. Dabei spielt die Wechselwirkung der eingebrachten Eigenspannungen mit dem texturierten Gefüge eine wichtige Rolle. Ziel dieser Arbeit war es, den Effekt der Kombination aus Eigenspannungen, orientiertem Kristallgefüge und Designvarianten von Multischicht-Keramiken aus Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid auf die Bruchzähigkeit zu untersuchen. Es wurden einerseits monolithische Proben unterschiedlicher Kristallgefüge, (i) equiaxial und (ii) texturiert, und andererseits Multischicht-Proben (Laminate), welche eine Kombination aus den beiden genannten Strukturen darstellten, mittels Tape Casting hergestellt. Die mikroskopischen, thermisch-physikalischen und mechanischen Eigenschaften der monolithischen Materialen wurden gemessen. Der Grad der Kornorientierung (Textur), Dichte, Härte, E-Modul, thermischer Ausdehnungskoeffizient und Bruchzähigkeit wurden bestimmt. Bei den Laminaten wurde zwischen periodischen und nicht-periodischen Designs, bezogen auf die Dicke und Anordnung der verschiedenen Schichten unterschieden. Der anisotrope Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid und die Dotierung mit Zirkoniumoxid verursachen verschiedene thermische Dehnungen zwischen equiaxialen und texturierten Schichten. Dies wurde ausgenutzt um Eigenspannungen in den verschiedenen Schichten einzustellen. In den texturierten Schichten sollten Druckeigenspannungen entstehen. Die Eigenspannungen sollten jedoch nicht zu groß sein, um "Edge Cracking" zu vermeiden, aber groß genug um die Bruchzähigkeit effektiv zu steigern. Die Proben wurden in 4-Punkt-Biegung geprüft, wo einerseits Proben mit (i) natürlichen und (ii) künstlichen Defekten untersucht wurden. Die Biegefestigkeit wurde an Proben mit natürlichen Defekten bestimmt, bzw. die Weibull-Verteilung der Festigkeit ermittelt. Bei den Proben mit künstlichen Defekten wurden Effekte wie Riss-Stopp, Riss-Ablenkung und Riss-Verzweigung beobachtet, bzw. analysiert.
Titel in ÜbersetzungHerstellung und Charakterisierung von texturierten Keramiken in geschichteten Architekturen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Bermejo, Raul, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung19 Okt. 2018
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • texturierte Keramiken
  • Tape Casting
  • geschichtete Keramiken
  • keramische Laminate
  • texturiertes Aluminiumoxid
  • gerichtete Mikrostruktur
  • Kombination verschiederner Mikrostrukturen
  • eingebrachte Eigenspannungen

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