Mechanical Characterization of Zinc Oxide produced by an optimized Cold Sintering Process

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

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 ÜbersetzungMechanische Charakterisierung von kaltgesintertem Zinkoxid
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
StatusVeröffentlicht - 2023