Um Funktionskeramiken erfolgreich zu nutzen, müssen neben einem klar definierten Funktionsprofil auch eine ausreichende mechanische Zuverlässigkeit gewährleistet sein. Daher ist das Wissen über mechanische Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit und Festigkeit für die Konstruktion unerlässlich.
Das in dieser Arbeit untersuchte Probenmaterial ist eine kommerzielle „Low Temperature Cofired Ceramic“-Keramik. LTCC-Keramiken werden in speziellen Einsatzbereichen aufgrund ihrer herausragenden dielektrischen und thermophysikalischen Eigenschaften als elektrische Leiterplatten verwendet. Auf keramischen Folien werden Leiterbahnen gedruckt, gestapelt und bei Temperaturen zwischen 900° und 1000° Celsius gesintert.
Ein zentrales Thema dieser Arbeit ist die Analyse der mechanischen Festigkeit bzw. des Versagens von LTCC-Keramiken. Empirisch zeigt sich, dass sich die Festigkeit von fast allen keramischen Werkstoffen in vielen Belastungsszenarien auf Basis eines Defektmodells beschreiben lässt. In diesem Modellbild werden Gefügebestandteile wie Poren, Mikrorisse und Fremdphasen als Defekte interpretiert, die als Bruchausgänge fungieren können. Die statistische Natur solcher Defektverteilungen führen schließlich auch zu Verteilungen von gemessenen Festigkeitswerten einer Stichprobe nominell gleichartiger Proben. Für die mathematische Beschreibung von Festigkeiten hat sich die Weibullverteilung bewährt. Innerhalb des Gültigkeitsbereichs erlaubt diese eine Extrapolation auf andere Belastungssituationen bzw. auf andere Probengeometrien, weshalb Festigkeiten von „Weibull-materialien“ einen Volumseffekt aufweisen. Statistisch lässt sich zeigen, dass unterschiedlich große Proben unterschiedliche Festigkeiten aufweisen. Um diesen Volumseffekt bzw. das Weibullverhalten zu überprüfen, wurden die scheibenförmigen LTCC-Proben zunächst mit zwei verschiedenen, etablierten Prüfverfahren mit unterschiedlichen Prüfvolumina geprüft: dem Doppelring- und dem 4-Kugelversuch. Um die Anwendbarkeit des Weibullschen Volumseffekts bei extrem kleinen belasteten Bauteilvolumen zu testen, wurde ein „Hertzscher Kontaktschädigungsversuch“ entwickelt, der zu sehr lokalen, kurzreichweitigen Zugspannungsfeldern führt. Dabei wird die Probe symmetrisch zwischen zwei Kugeln mit ansteigender Kraft gedrückt, bis durch die Zugspannungen außerhalb der Kontaktfläche Ringrisse induziert werden. Die Bewertung dieser Versuche erfolgte mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulation.
Es konnte gezeigt werden, dass das Versagen der untersuchten LTCC dem statistischen Ansatz von Weibull folgt, wenn es mit dem Doppelring- oder dem 4-Kugelversuch geprüft wird. Das Versagen in einem stark lokalisierten Spannungsfeld (wie bei dem Hertzschen Kontaktschädigungsversuch), das in dieser Arbeit untersucht wurde, zeigt signifikante Abweichungen von der zuvor bestimmten Statistik.
Darüber hinaus wurde der Einfluss der Oberflächengüte auf die Festigkeit von Keramiken erörtert. Nach einem „industriellen“ Läppprozess wurden die Festigkeiten des Materials mittels der Doppelring- und 4-Kugeltests untersucht.