Thermo-mechanische Modellierung interpenetrierender Metall-Keramik Verbundwerkstoffe auf Basis hochhomogener Schaumstrukturen

Neuartige Materialkonzepte mit dem Fokus auf Leichtbau und Wärmemanagement können
einen signifikanten Beitrag zur Effizienzsteigerung im Energie- und Mobilitätssektor leisten.
Insbesondere die Möglichkeit zur multifunktionalen Optimierung macht Metall-Keramik
Verbundwerkstoffe mit einer maßgeschneiderten, interpenetrierenden Mikrostruktur für
thermo-mechanisch hochbelastete Bauteile interessant. Dafür ist ein fundiertes Verständnis
über die Mechanismen auf Mikrostrukturebene und deren Einfluss auf das makroskopische
Verhalten des Verbundwerkstoffs elementar.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Modellierungsansätze entwickelt, die eine Homogenisierung
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der elastischen Eigenschaften sowie direkte Einblicke in die Schädigungsmechanismen
unter quasi-statischer Druckbelastung und die Identifikation von Einflussgrößen
bei thermischer Zyklierung eines interpenetrierenden Al2O3/AlSi10Mg Verbundwerkstoffs
ermöglichen. Dadurch können wichtige Einblicke in die Homogenitätsbetrachtungen
interpenetrierender Verbundwerkstoffe gewonnen sowie effektive Materialkennwerte
extrahiert werden. Für den Schädigungsverlauf können drei Phasen identifiziert werden:
nach einer von Rissbildung in der keramischen Phase dominierten Schädigungsinitiierung
findet ein Mechanismuswechsel mit Rissausbreitung und -assoziation sowie Zunahme
der plastischen Verformung in der metallischen Phase statt, bevor die Scherung in einer
Hauptscherebene zum kompletten Versagen führt. Dabei kann auch die Relevanz lokaler
Geometrieanordnungen für die effektive Festigkeit aufgezeit werden. Eine Abschätzung
zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften durch (Selbst-)Heilung zeigt insbesondere
in frühen Schädigungsstadien großes Potenzial für den interpenetrierenden
Verbund. Die Dehnungshysterese bei thermischer Zyklierung kann durch ein Zusammenspiel
zwischen dem internen Spannungszustand sowie einer Relativbewegung der Phasen
an der Grenzfläche erklärt werden. Außerdem zeigt sich, dass für das effektive Aufheizverhalten
bei geringen Temperaturen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und für
hohe Temperaturen die mechanischen Eigenschaften beider Phasen relevant sind.

Novel material concepts with a focus on lightweight construction and thermal management
can make a significant contribution to increasing efficiency in the energy and mobility sector.
In particular, the possibility of multifunctional optimization makes metal-ceramic composites
with a special, interpenetrating microstructure interesting for thermo-mechanically
highly stressed components. For this, a sound understanding of the mechanisms at the
microstructure level and their influence on the macroscopic behavior of the composite is
elementary.
In this work, modeling approaches are developed that allow homogenization of elastic
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properties as well as direct insights into damage mechanisms under quasi-static compressive
loading and identification of influencing variables during thermal cycling of an
interpenetrating Al2O3/AlSi10Mg composite. This provides important insights into the
homogeneity considerations of interpenetrating composites and enables the extraction of
effective material properties. Three phases can be identified for the damage progression:
after a damage initiation dominated by crack initiation in the ceramic phase, a mechanism
change with crack propagation and association as well as increase of plastic deformation
in the metallic phase takes place before shear in a main shear plane leads to complete
failure. The relevance of local geometry arrangements for the effective strength can also
be shown. An estimation of the recovery of mechanical properties by (self-)healing shows
great potential for the interpenetrating composite, especially in early stages of damage.
The strain hysteresis during thermal cycling can be explained on an interplay between
the internal stress state as well as a relative motion of the phases at the interface. Furthermore,
it is shown that for the effective heating behavior at low temperatures the thermal
expansion coefficients and for high temperatures the mechanical properties of both phases
are relevant.