Characterization and modeling of the mechanical properties of wound oxide ceramic composites

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. ... mehrDie 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.

In the present work, an oxide/oxide Ceramic Matrix Composite WHIPOXTM (Wound Highly Porous Oxide Ceramic) that was manufactured via the filament winding technique was investigated. The aim of the work was the characterization and modeling of the mechanical properties of wound oxide ceramic composites with varied fiber orientations. For this purpose, the characteristics of a virtual equivalent unidirectional layer (UD-layer) were calculated and applied through the Inverse Laminate Theory and modified Tsai-Wu failure criterion.
All modeling approaches developed in this study are dependent on experimental determination and microstructure analysis. ... mehrThe mechanical properties of the investigated material in different wound orientations, including initial stiffness, strength, strain, elastic and inelastic behavior, were completely evaluated with in-plane experimental tests at room temperature. Based on the microstructural analysis through Micro Computed Tomography, the modeling of the properties of WHIPOXTM was divided into two classes: WHIPOXTM with matrix cracks (WC) and WHIPOXTM without matrix cracks (NC).
Due to the lack of the required matrix and fiber properties within the composite and by the unavailable representative characteristics of CMC UD-materials, the traditional modeling methods and classic failure criterion cannot be directly adapted to describe the material behavior of wound CMCs. Therefore, advanced modeling approaches with virtual equivalent UD-layer properties are created for the evaluation and prediction of the material properties of the investigated material WHIPOXTM. As the core component of the modeling chain, complete material properties of the equivalent UD-layer were calculated and evaluated: elastic properties through the Inverse Laminate Theory; strength properties by fitting different test results to modified Tsai-Wu criterion; failure strain using the inelastic deformation behavior factor Δ. All the values are discussed and calculated with consideration given to different microstructures with or without matrix cracks. Through the stacking of these equivalent UD-layers with any desired fiber orientation, e.g. non-orthogonal, orthogonal and asymmetrical (off-axis), an equivalent layered composite is created and its material constants can be predicted by using the modified stiffness matrix.
In order to predict the mechanical properties with more accuracy, particular features of the investigated materials have to be taken into consideration. For the investigated composite WHIPOXTM, four distinctive features are implemented in the modeling approaches: identification of inhomogeneity of the investigated plate; interaction between failure strength and strain through inelastic deformation; division of material modeling groups based on the analysis of microstructure; update of analytical model of different batches with inhomogeneities created due to the manufacturing process.
Based on the good correlation between the experiments and the modeling results, it can be shown that modeling approaches factoring in the above mentioned particular material features allow a very accurate prediction of the in-plane mechanical properties for CMC laminates. The present work has identified a general modus operandi going from experimental determination and microstructure analysis to the prediction of the mechanical behavior of wound CMCs with varied fiber orientations. The results of this work are of great value for the future design and development of this class of composites. In this way the application of CMC-components in new fields like aerospace and civil engineering may be enhanced.