Abstract:
Ultrahochtemperatur-Keramiken (UHTCs) bezeichnen eine Gruppe von Keramiken, deren Eigenschaften es ermöglichen, sie in einem Ultrahoch-Temperaturbereich von über 2000°C zu verwenden. Entscheidende Eigenschaften von UHTCs sind ein hoher Schmelzpunkt, gute Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Mögliche Anwendungen sind Reaktorkomponenten, Raketendüsen, luftatmende Antriebssysteme und Vorderkanten. Frühere Konfigurationen, wie z.B. das Space Shuttle, wurden aufgrund der aerodynamischen/thermischen Belastungen mit stumpfen Geometrien ausgelegt. Der Nachteil dieser Konstruktion ist die geringere Manövrierfähigkeit aufgrund des erhöhten Luftwiderstandes und die damit verbundenen Einschränkungen ihres Wiedereintrittsprofils. ... mehrDie Verwendung von scharfen Vorderkanten erhöht die aerodynamischen Wärmelasten exponentiell und erfordert daher Materialien wie UHTCs.
Monolithische UHTCs besitzen, wie fast alle monolithischen Keramiken, ein sprödes Materialverhalten mit geringer Schadenstoleranz. Die Erhöhung dieser Toleranz ist neben der Oxidationsbeständigkeit eines der Hauptziele bei der Entwicklung von UHTC-Werkstoffen. Im Rahmen dieser Forschung werden Faserverstärkungen zur Erhöhung der Bruchzähigkeit eingesetzt. Die eingesetzten Fasern sind in der Lage, Risse abzulenken oder zu stoppen, während die einbettende UHTC-Matrix die erforderliche Oxidationsbeständigkeit bietet. Die Entwicklung eines Ultrahochtemperatur-Keramikmatrix-Verbundwerkstoffs (UHTCMC) hat das Potenzial, das Problem der Bruchzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu lösen. Die Technik ähnelt den Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMC), wobei Fasern als zweite Phase in eine UHTC-Matrix eingebettet werden, um die bei der Rissausbreitung entstehende Energie zu dissipieren und somit ein pseudoplastisches mechanisches Verhalten zu erzeugen.
Eine Methode, welche bei CMCs zur Herstellung großer Teile eingesetzt wird, ist die reaktive Schmelzinfiltration (RMI), bei der die Reaktion zwischen einer flüssigen Metalllegierung und einer zu infiltrierenden porösen festen Phase ausgenutzt wird.
Um ein Verfahren für faserverstärkte Diboride zu ermöglichen, konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung eines reaktiven Schmelzinfiltrationsverfahrens (RMI) von Zr-Legierungen zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem ZrB$_{2}$.
Der Zweck dieser Forschung ist es, die Vorgänge des Zr RMI-Prozesses zu verstehen und die mechanische Leistung des Materials zu erhöhen. In einem ersten Schritt werden die Einflussfaktoren, die den Infiltrationsprozess steuern, untersucht und diskutiert. Die Schlüsselfaktoren dieser Untersuchungen sind die Kapillarstrukturen, die sich vor der Infiltration mit der Schmelze bilden, sowie die durch die chemischen Reaktionen verursachten Phasen, der Kontaktwinkel der verschiedenen Phasen welche die Kapillarkräfte beeinflussen und die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Energie.
Nach der Definition und dem Verständnis der Mechanismen und Einflüsse während des Herstellungsprozesses werden UHTCMC-Proben hergestellt und untersucht. Die Schlüsselaspekte der analysierten UHTCMC-Proben sind ihre mechanische Leistung im Hinblick auf die Herstellungsparameter und ihre Oxidationsbeständigkeit. Die hergestellten UHTCMCs überschreiten eine Biegefestigkeit von 400 MPa und verdoppeln die Bruchzähigkeit $K_{1C}$ von monolithischen UHTC auf über 10 $MPa \sqrt{m}$. Ihr Oxidationsverhalten wird bei einer Temperatur von über 2000°C in einer sauerstoffreichen Umgebung getestet und die Bildung der von UHTCs bekannten schützenden Oxidationsschichten gezeigt.
Abstract (englisch):
Ultra high temperature ceramics (UHTCs) refers to a group of ceramic materials whose properties enable them to be used in an ultra-high-temperature regime, exceeding 2000°C. Decisive properties for UHTCs are a high melting point, good thermal conductivity, and oxidation resistance. Potential applications include reactor components, rocket nozzles, air breathing propulsion systems, and leading edges. Previous configurations, such as the Space Shuttle, were designed with blunt geometries due to the aerodynamic/thermal loads. The disadvantage of this design is the lower maneuverability due to the increased air resistance and the associated restrictions of their re-entry profile. ... mehrThe use of sharp leading edges increases aerodynamic heat loads exponentially, and hence, requires materials such as UHTCs.
Monolithic UHTCs, like almost all monolithic ceramics, are subject to a low damage tolerance behavior. Increasing this tolerance, along with oxidation resistance, is one of the key goals of the development for UHTC materials. Within this research, fiber reinforcements are used to increase fracture toughness. Fibers are potentially able to deflect or stop cracks, while the embedding UHTC matrix provides the necessary oxidation resistance. The development of an Ultra High Temperature Ceramic Matrix Composite (UHTCMC) has the potential to solve the problem of fracture toughness and oxidation resistance. The technique is similar to Ceramic Matrix Composites (CMC), utilizing fibers as a second phase embedded in a UHTC matrix to dissipate energy arising from crack propagation, and hence, generating a pseudo-plastic mechanical behavior.
One CMC method to produce large parts is reactive melt infiltration (RMI), which exploits the reaction between a liquid metal alloy and a porous solid phase to be infiltrated.
In order to establish a process for fiber reinforced diborides, this work focuses on the development of a reactive melt infiltration (RMI) process of Zr alloys to fabricate carbon fiber reinforced ZrB$_{2}$.
The purpose of this research is to understand the RMI process and increase the mechanical performance of the material. As a first step, the influencing factors governing the infiltration process are investigated and discussed. The key factors of these investigations are the capillary structure forming before melt infiltration, the phases caused by the chemical reactions, the contact angle of different phases influencing capillary forces, and the energy released by the exothermic reaction.
After defining and understanding the mechanisms and influences during the manufacturing process, UHTCMC samples are manufactured and investigated. The key aspects of UHTCMC analyzed are their mechanical performance, with regard to manufacturing parameters, and their oxidation resistance. The manufactured UHTCMCs exceed a bending strength of 400 MPa and double the fracture toughness $K_{1C}$ value from monolithic UHTC to over 10 $MPa \sqrt{m}$. Their oxidation behavior is tested at a temperature exceeding 2000°C in an oxygen-rich environment, showing the formation of the potential oxidation layers known from UHTCs.
