Regensburg 2000 – scientific programme

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SYGU: Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien

SYGU 1: Hauptvorträge

SYGU 1.1: Invited Talk

Thursday, March 30, 2000, 10:15–10:45, H4

Grenzflächenoptimierung metallischer und keramischer Hochleistungsverbundwerkstoffe — •Jörg Woltersdorf — Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Weinberg 2, D-06120 Halle

Die immer höher und komplexer werdenden Anforderungen an Hochleistungsverbundwerkstoffe sowohl mit metallischen als auch mit keramischen Matrices können nur durch die Entwicklung speziell optimierter Grenzflächen bzw. Grenzschichten erfüllt werden, die in unterschiedlicher Hinsicht jeweils geeignete Parameter kombinieren müssen. Dies betrifft z.B. chemische Reaktivität, thermomechanisches Verhalten, insbesondere Hochtemperaturfestigkeit und Eignung als Oxidationsschutz, Bindungsstärke bzw. Haftvermittlung und Diffusionshemmung.
Neben der Erzeugung einer Grenzschicht oder Grenzschichtsequenz durch Vorbeschichtung der Einlagerungsphase, die i.a. unter Benutzung pyrolytischer Verfahren aus organischen Präkursoren erfolgt, können die Zwischenphasen auch durch festkörperchemische Reaktionen erzeugt werden, die während oder nach der Prozeßführung auftreten und durch komplexe thermochemische Vorgänge im Nanometerbereich charakterisiert sind.
Im Falle der Metallmatrixverbunde wird angestrebt, die hohen Festigkeiten und Elastizitätsmoduln keramischer und graphitischer Fasern mit den metallischen Eigenschaften der Matrix zu kombinieren. Insbesondere sind graphitfaserverstärkte Leichtmetall-Legierungen vielversprechend, und zwar sowohl wegen der geringen Dichte ihrer Komponenten (jeweils unter 2 gcm⁻³) als auch wegen der hohen Festigkeiten (3...4 GPa) und E-Moduln (einige 100 GPa) der Graphitfasern. In diesem System könnten also durch Optimierung der Faser/Matrix-Grenzbereiche (bei gleichzeitiger Verhinderung von Faserdegradationen) Werkstoffe entwickelt werden, die zwei- bis dreimal so fest wie die besten Stähle sind, aber deren Dichte nur etwa ein Drittel der des Stahls beträgt.
Die Entwicklung von Keramikmatrixverbunden soll es ermöglichen, die außerordentlichen mechanischen und thermochemischen Eigenschaften von Keramiken in Hochleistungswerkstoffen nutzbar zu machen, indem die den Keramiken eigenen Nachteile, nämlich geringe Bruchzähigkeit und niedrige Temperaturwechselbeständigkeit, überwunden werden: Neue langfaserverstärkte keramische Werkstoffe können sich schadenstolerant und quasiduktil verhalten, wenn die für diese Composite typischen Energiedissipations- bzw. Verstärkungsmechanismen in geeigneter Weise aktiviert werden. Da die auftretenden Mikromechanismen im wesentlichen in den zwischen den Verbundkomponenten existierenden Grenzschichten lokalisiert sind, ist auch hier eine Materialoptimierung gleichbedeutend mit einer spezifischen Optimierung der Grenzschichten oder Grenzschichtsysteme. Durch ihr Eigenschaftsprofil sind diese Keramikverbunde hauptsächlich prädestiniert für den Hochtemperatureinsatz und Anwendungen in verschleiß- und korrosionsbeanspruchten Bauteilen, z.B. für die Antriebstechnik, die Raumfahrt und die Verkehrstechnik.