Mechanical Characterization of Zinc Oxide produced by an optimized Cold Sintering Process
Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und Habilitationsschriften › Masterarbeit
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Abstract
Das herkömmliche Sintern von
Keramik erfordert relativ hohe Temperaturen (> 1000 °C), die für die
Festkörperdiffusion notwendig sind. Aufgrund der Energiekrise und des
Klimawandels haben energiesparende Verfahren in den letzten Jahren immer
mehr an Interesse in der Industrie gewonnen. Ein neuartiges
alternatives Sinterverfahren für die Verdichtung von Keramik ist der
"Cold Sintering Process" (CSP), der darauf abzielt, die Sintertemperatur
und die Sinterzeit erheblich zu reduzieren. Beim CSP wird dem
Keramikpulver eine chemisch aktive flüssige Phase zugesetzt und bei
relativ niedrigen Temperaturen (< 300 °C) Druck ausgesetzt. Jüngste
wissenschaftliche Forschungen haben zu einer erfolgreichen Verdichtung
verschiedener keramischer Systeme mittels CSP bis zu einer relativen
Dichte von 99 % geführt. Die mechanischen Eigenschaften der durch CSP
hergestellten Proben sind jedoch nur wenig erforscht, so dass ihre
potenzielle Anwendung als Strukturmaterialien noch unklar ist. In dieser
Arbeit wird der CSP von Zinkoxid untersucht und optimiert. Ziel ist es,
die Auswirkungen verschiedener Prozessparameter auf die Verdichtung und
Festigkeit von kaltgesinterten Keramikteilen zu verstehen. Nach der
Identifizierung der optimalen Prozessparameter wurden die
kaltgesinterten Proben mechanisch hinsichtlich ihrer
Festigkeitsverteilung und Bruchzähigkeit unter biaxialer Biegung und
einer adaptierten B3B-SCF Methode charakterisiert. Die Ergebnisse
werden, mit denen von konventionell gesinterten Proben, verglichen und
diskutiert. Ein Prozessdruck von 200 MPa, eine Prozesstemperatur von 140
°C, ein Flüssigphasenanteil von 2M Ameisensäure von 150 µl/g, eine
Heizrate von 5 °C/min und eine Haltezeit von 60 Minuten wurden als
ideale Prozessparameter identifiziert, was zu Proben mit ~97% relativer
Dichte führte. Kaltgesintertes ZnO wies eine charakteristische
Festigkeit von σ0 = 116 [114 – 118] MPa und ein Weibull-Modul von m = 11
[9 – 12] auf. Im Vergleich zur konventionell gesinterten ZnO-Keramik
konnte CSP ~50% der charakteristischen Festigkeit erreichen (z.B.: σ0 ≈
220 MPa )Die geringere Festigkeit der kaltgesinterten Proben wird auf
ihre geringere Bruchfestigkeit zurückgeführt, was durch die Messung der
Bruchzähigkeit bestätigt wird, die einen Wert von KIc = 0,57± 0,05
MPa*m1/2 aufweist, was ~50% der Bruchzähigkeit von konventionell
gesintertem ZnO (z.B.: KIc = 1,15 ± 0,07 MPa*m1/2) entspricht.
Details
Titel in Übersetzung | Mechanische Charakterisierung von kaltgesintertem Zinkoxid |
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Originalsprache | Englisch |
Qualifikation | Dipl.-Ing. |
Gradverleihende Hochschule | |
Betreuer/-in / Berater/-in |
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Datum der Bewilligung | 20 Okt. 2023 |
Status | Veröffentlicht - 2023 |