Festigkeits- und bruchmechanische Untersuchungen einer hochtemperaturbelasteten Forsterit-Keramik für die Anwendung in Festoxidbrennstoffzellen (SOFC)

In dieser Arbeit wurde eine dotierte Forsterit-Keramik (Mg2SiO4) im Hinblick auf ihre Eignung als Substratmaterial in einer Festoxidbrennstoffzelle untersucht. Aufgrund der relativ hohen Betriebstemperaturen von 700 - 800 °C fand zur Absicherung der thermomechanischen Stabilität der dotierten Forsterit-Keramik eine Analyse des Verhaltens unter simulierten SOFC-Betriebsbedingungen statt, wobei die Auswirkungen von Temperatur und Feuchtigkeit auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften besonders berücksichtigt wurden. Für den Ausgangszustand konnte eine Härte (870 HV), Bruchzähigkeit (1,25 MPa√m), charakteristische Festigkeit (110 MPa), der Weibull-Modul (8,4) und der E-Modul (172 GPa) ermittelt werden. ... mehrDie Analyse der Mikrostruktur zeigt ein mehrphasiges Gefüge, bestehend aus der Forsteritmatrix, Poren und einer Al-, Zn-reichen Sekundärphase.
Für die Untersuchungen des zeit- und temperaturabhängigen Materialverhaltens unter einer statisch thermischen Auslagerung bei 750 °C und 950 °C konnte keine wesentliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften oder der Gefügestruktur ermittelt werden. Durch eine thermische Zyklierung bei einer Temperatur von 900 °C kommt es jedoch zu einem deutlichen Abfall
(ca. 50%) der charakteristischen Festigkeit. In-Situ Untersuchungen bei erhöhten Temperaturen zeigen eine Zunahme der Bruchzähigkeit, während es bei erhöhten Temperaturen zu einer Abnahme der charakteristischen Festigkeit kommt.
Durch fraktographische Analysen der Bruchflächen konnten größere, bruchauslösende Defekte festgestellt werden. Es lässt sich vermuten, dass es aufgrund herstellungsbedingter Verunreinigungen mit Al2O3 zur Bildung einer Zn(Al1,4Fe0,6)O4-Spinellphase kommt, welche zu einem abnormalen Kornwachstum führt. Bedingt durch thermische Eigenspannungen kommt es infolge dieser kritischen Defekte zu einem frühzeitigen Materialversagen, was vor allem die charakteristische Festigkeit in allen untersuchten Zuständen in einem starken Maße beeinflusst.

In this work, a doped forsterite ceramic (Mg2SiO4) was investigated with regard to its suitability as a substrate material in a solid oxide fuel cell. Due to the relatively high operating temperatures of 700 - 800 °C, an analysis of the behaviour under simulated conditions was carried out to verify the thermomechanical stability of the doped forsterite ceramic, whereby the effects of temperature and humidity on the microstructure and the mechanical properties were particularly taken into account. For the initial condition, a hardness (870 HV), fracture toughness (1.25 MPa√m), characteristic strength (110 MPa), Weibull modulus (8.4) and Young's modulus (172 GPa) was determined. ... mehrThe analysis of the microstructure shows a multiphase structure consisting of the forsterite matrix, pores and an Al-, Zn-rich secondary phase.
For the investigations of the time- and temperature-dependent material behaviour under static thermal ageing at 750 °C and 950 °C, no signifi-cant change in the mechanical properties or the microstructure could be determined. However, thermal cycling at a temperature of 900 °C results in a significant decrease (approx. 50%) in the characteristic strength of the material. In-situ
investigations at elevated temperatures show an increase in fracture toughness, while the characteristic strength decreases at elevated tempe-ratures.
Fractographic analyses of the fracture surfaces revealed larger, fracture-inducing defects. It can be assumed that a Zn(Al1,4Fe0,6)O4 spinel phase is formed due to manufacturing-related impurities with Al2O3, which leads to abnormal grain growth. Due to thermal residual stresses, these critical defects lead to premature material failure, which strongly influences the characteristic strength in all investigated conditions.