Fortschritte der CMC-Modellierung

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1 Faserkeramik-Kolloquium 2008 DLR Stuttgart Fortschritte der CMC-Modellierung Dr.-Ing. Dietmar Koch Ceramics Keramische Werkstoffe und Bauteile Prof.-Dr.-Ing. G. Grathwohl Universität Bremen

2 Einsatzgebiete von Ceramic Matrix Composites 2

3 Herstellung von Ceramic Matrix Composites Chemical Vapor Infiltration CVI Auswirkung auf Gefüge Liquid Polymer Infiltration LPI Ceramic Slurry Infiltration CSI Liquid Silicon Infiltration LSI 3

4 Einfluss der Herstellverfahren auf CMC-Gefüge Herstellverfahren LPI Liquid Polymer Infiltration CVI Chemical Vapor Infiltration LSI Liquid Silicon Infiltration CSI Ceramic Slurry Infiltration Faseraufbau Gewebelagen UD-Lagen Wickeltechnik 3D-Verstärkung Mechan. Eigenschaften Effekte Faserorientierung, Matrixeigenschaften, Matrixverteilung, Fehler, Risse 4

5 Richtungsabhängige Steifigkeit bei 0 /90 -CMC E 0 / E C/C (Al 2 O 3 -ZrO 2 ) mc /Al 2 O3 C/C C/C, SIGRABOND C/C Nextel 720 /Mullite + Alumina Nextel 610 /Mullite + Alumina E 0 = E 45 C/SiC WHIPOX Nicalon/MAS Nicalon/SiC -45 /+45 Nicalon/SiC 0 /90 Stress / MPa Tensile Test SiC/SiC, CVI Tensile Test C/C, LPI 0 / 90 0 / / Strain / % 0 [1] [2] WMC [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] WIC Stress / MPa / -45 Matrixsteifigkeit und -festigkeit Poröse Matrix Dichte Matrix Strain / % [1] Neumeister et al. (1996) [7] Heathcote et al. (1999) [2] Mamiya et al. (2002) [8] EADS, Bremen [3] Hatta et al. (2004) [9] WHIPOX, DLR (2003) [4] SIGRABOND 1501 G, SGL [10] McNulty et al. (1999) [5] Goto et al. (2001) [11] McNulty et al. (1999) [6] Carelli ez all. (2002) [12] Camus (2000) 5

6 Ziele der Werkstoffmodellierung Ermittlung und Beschreibung der mechanischen Eigenschaften Festlegung relevanter Messdaten Bewertung von Fehlern (Auswirkungen von Schädigungen auf das Versagensverhalten = Effects of Defects) Rückkopplung für das Werkstoffdesign Lebensdauervorhersage (HT, Ermüdung, Kriechen, Oxidation) Bauteilauslegung Industrielle Nutzung der Werkstoffmodellierung Eucomas 2008 Computational Materials Engineering in Abhängigkeit von Herstellverfahren, Eigenschaften, Defekten Datenbanken, Simulationswerkzeuge, neue Konzepte 6

7 Inhalt Materialkonzepte mindestens eine schwache Komponente Weak Interface Composites WIC Weak Matrix Composites WMC Enhanced Properties strong weak strong weak Overstrained Looser Modellierung des mechanischen Verhaltens von WIC und WMC Mikro- and makromechanische Modelle Nutzen und Grenzen der Modelle Ausblick 7

8 Mikromechanischer Modellansatz (ACK 1971) Riss trifft auf Faser-Matrix-Grenzfläche Sprödbruch Initial- / Progressive Debonding τ 8

9 Spannungsverteilung an der F-M-Grenzfläche σ F Matrixriss τ τ 0 Faser Faserlängsachse > Koch 1994 Fantozzi

10 He-Hutchinson-Plot (1989) Silica layer C RT Brittle failure Γ i > Γ F,krit Indenter Load / N Relative Fracture Energy Γ i / Γ F No debonding Initial debonding Indenter Displacement / mm due to Oxidation WIC Relative Young's Modulus (E F -E M )/(E F +E M ) Matrix crack evolution Debonding Multiple matrix cracking Friction Fiber failure Pull-out Non-brittle failure 10

11 Korrelation von Interface- und Zugeigenschaften Weak Interface Composite SiC/SiC (CVI) Indenter Tests Zugversuche 11

12 Weak Interface Composites WIC WIC-Verhalten wird von Faser-Matrix-Grenzfläche bestimmt Mikromechanischer Modellansatz mit lokalisierter Rissentwicklung (initial und progressive debonding, Reibung, etc.) quasiplastischer Makroverformung durch multiple matrix cracking, pullout, etc. Anpassung und Kontrolle der optimierten Grenzflächeneigenschaften erforderlich 12

13 Weak Matrix Composites WMC Makromodell Lokaler Rissfortschritt NICHT relevant WMC-Verhalten wird von Faser- und Belastungsorientierung bestimmt Makro-Modell Großvolumiges Matrixversagen CMC-Versagen durch Faserbruch Modellierung mit Inputdaten aus makromechanischen Tests Modellierung von E-Modul Spannungs-Dehnungs-Verhalten Festigkeit C/C (SGL) Ox/Ox, Heathcote et al

14 Versagensverhalten unter Zug und Schub Faserbündelversagen ϕ = 0 /90 ϕ 0 /90 Scherversagen Material: C/C +15 /-75 Stress / MPa ϕ = +15 / ϕ = +30 /-60 ϕ = +45 / Pure Shear Mode (Iosipescu) Axial Strain /Shear Strain / % +45 /-45 Iosipescu 14

15 Pseudoplastizität und Schädigung Bis zum Erreichen der Verbundfestigkeit entstehen nur Schädigungen in der Matrix (kein Faserversagen). Nachweis durch Schallemission (Kaisereffekt). Schädigungsprozesse reduzieren die Steifigkeit nur unter Scherbelastung Die inelastischen Dehnungen und die Steifigkeitsabnahme sind zwei messbare Größen für die Schädigungsentwicklung in der Matrix Spannung [MPa] 400 Spannungs-Dehnungs-Kurve 350 Schallemissionssignale ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0, Summenkurve der Schallemissionssignale Scherspannung [MPa] Spannungs-Dehnungs-Kurve Schallemissionssignale 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1, Summenkurve der Schallemissionssignale Längsdehnung [%] Scherdehnung [%] Zugversuch 0 /90 Scherversuch 15

16 Bestimmung von Deformation/Schädigung für FEM Spannung 2 e Γ ( σ,d) 1 E 0 3 E FE-Modell Implementierung in MARC Spg.-Dehnungs-Kurve (E-Modul, inelastische Dehnung, Steifigkeitsabnahme) Festigkeit ε p ε e Dehnung 16

17 Vergleich Experiment Modell (C/C) +15 /-75 Spannung [MPa] Experiment Modell / Dehnung [%] Spannung [MPa] Festigkeit [MPa] Modell Experiment E-Modul [GPa] Querkontraktion [-] Winkel zwischen Belastung und Faserorientierung [ ] Experiment Modell Dehnung [%] 17

18 Vergleich Experiment Modell bei DEN-Versuchen a 600 Experiment FE - Berechnung 0 / Ligament Festigkeit [MPa] / W = 30 mm DEN - Probe Ligamentbreite [mm] 18

19 CMC-Modelle E 0 / E C/C (Al 2 O 3 -ZrO 2 ) mc /Al 2 O3 [1] [2] WMC C/C [3] C/C, SIGRABOND C/C Nextel 720 /Mullite + Alumina Nextel 610 /Mullite + Alumina C/SiC [4] [5] [6] [7] [8] CMC-Homogenisierung Modellierung der CMC-Eigenschaften bei uni- und multiaxialer Belastung E 0 = E 45 WHIPOX Nicalon/MAS [9] [10] Nicalon/SiC [11] -45 /+45 Nicalon/SiC [12] WIC 0 /90 τ Weak Interface Composites WIC Modellierung der Faser- Matrix-Interaktion Bestimmung der mikromechanischen Eigenschaften erforderlich Weak Matrix Composites WMC Makromodellansatz zur Vorhersage des σ ε Verhaltens und der Festigkeit Anwendung des FE- Modells für komplexe Belastungszustände 19

20 Makro-Modell Stand Design, Auslegung Charakterisierung (CT) Design, Auslegung möglich bei vorgegebener Faserorientierung wenn Matrix-Defekte integral messbar sind unter Vernachlässigung interlaminarer Defekte 20

21 Makro-Modell mit inverser Laminattheorie Design, Auslegung Elastic modulus [GPa] /90 Reinforcement Data E Design, Auslegung xx möglich 1.2 E yy G xy ν bei festgelegter xy Faserorientierung Experimental Data Poisson's ratio y Braiding angle [degree] y 90 y +70 +θ x -70 x x -θ Tushtev et al., Int.J.Mater.Res., 2008 Fibre tows Gaps Equivalent UD-plies 21

22 Makro-Modell Interlaminare Eigenschaften Design, Auslegung Charakterisierung (CT) Interlaminare Scherfestigkeit [MPa] Punkt-Biegeversuch Design, Auslegung Druck-Scher-Versuch möglich bei vorgegebener Faserorientierung wenn Matrix-Defekte integral messbar sind Biegeversagen unter Vernachlässigung interlaminarer Defekte 0 / /-20 Iosipescu-Versuch +70 /-70 22

23 Modellansätze für CMC Werkstoffmodellierung Mikro-Modell Meso-Modell Makro-Modell Einzellagen mit beliebiger CMC-Modellierung Faserorientierung bei uni- and multiaxialer Beanspruchung mit Inputdaten aus Interphase / makromechanischen Tests Interface τ WIC WMC 23

24 Modellansätze für CMC Werkstoffmodellierung Mikro-Modell Meso-Modell Makro-Modell CMC-Modellierung bei uni- and multiaxialer Beanspruchung τ RVU (DLR) WIC WMC 24

25 Ziele der Werkstoffmodellierung Ermittlung und Beschreibung der mechanischen Eigenschaften Festlegung relevanter Messdaten Bewertung von Fehlern (Auswirkungen von Schädigungen auf das Versagensverhalten = Effects of Defects) Rückkopplung für das Werkstoffdesign Lebensdauervorhersage (HT, Ermüdung, Kriechen, Oxidation) Bauteilauslegung Industrielle Nutzung der Werkstoffmodellierung Eucomas 2008 Computational Materials Engineering in Abhängigkeit von Herstellverfahren, Eigenschaften, Defekten Datenbanken, Simulationswerkzeuge, neue Konzepte 25

26 Danksagung Veröffentlichungen siehe 26