Thermal shock behavior of 3D-printed alumina ceramics with spatially tailored porosity

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

Keramische Werkstoffe sind für ihre herausragenden Eigenschaften wie Hochtemperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit bekannt. Allerdings sind Keramiken von Natur aus spröde und weisen große Streuungen in der mechanischen Festigkeit auf. Die Schadensauslösung hängt unter anderem von der Art der Belastung, der Bauteilgeometrie und anderen Faktoren ab. Insbesondere der mit raschen Temperaturänderungen verbundene Thermoschock ist aufgrund des hohen Elastizitätsmoduls und der geringen Wärmeleitfähigkeit keramischer Materialien eines der wichtigsten kritischen Belastungsszenarien für keramische Bauteile. Die Suche nach alternativen Strategien zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit von Keramikteilen gegen Schädigungen ist für industrielle Anwendungen, bei denen Komponenten raschen Temperaturänderungen ausgesetzt sein können, von entscheidender Bedeutung. Der Einbau von porösen Bereichen in Keramiken hat sich als positive Möglichkeit zur Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit erwiesen. Eine neuartige Strategie zur Erhöhung der mechanischen Eigenschaften poröser Keramiken könnte im Gradienten-Design liegen. Aluminiumoxid-Keramiken mit gradueller Porosität könnten Potenzial für Anwendungen wie Filter, Membranen, Beschichtungen und andere haben. Eine neue aufstrebende Technik, die die Einführung von Porositätsgradienten in Aluminiumoxid ohne Limitierungen in der Designkomplexität ermöglicht, ist die Lithographie-basierte Keramikfertigung (engl. Lithographie-based Ceramic Manufacturing,LCM). In dieser Arbeit werden neuartige Aluminiumoxid-basierte Laminate mit eingebetteten porösen Schichtbereichen sowie Aluminiumoxid-Proben mit maßgeschneiderten Porositätsgradienten additiv hergestellt und thermo-mechanisch charakterisiert. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz untersucht, der den schichtweisen Druckprozess nutzt, um gezielt poröse Bereiche einzubauen und so neue 3D-gedruckte Aluminiumoxid-basierte Keramiken mit räumlich maßgeschneiderter Porosität zu erhalten. Die speziellen Laminat-Designs werden zusammen mit den (Referenz-)monolithischen Proben mithilfe der LCM-Technologie hergestellt. Die verschiedenen Probendesigns werden unter biaxialer Biegung getestet und die Festigkeitsparameter (d. h. charakteristische Festigkeit und Weibull-Modul) werden bestimmt. Anschließend werden Thermoschocktests bei ausgewählten Temperaturunterschieden durchgeführt und der entsprechende Festigkeitsabbau der geschichteten porösen Designs untersucht und mit den Referenzproben (monolithisch) verglichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Einbau poröser Schichtbereiche die spezifische Festigkeit, Thermoschockbeständigkeit und Rissablenkung von 3D-gedruckten Keramiken erhöhen kann. Die Vorteile der LCM-Technologie zusammen mit der Möglichkeit, die Porositäten anzupassen, werden diskutiert, was neue Anwendungsfelder (Leichtbau) für Aluminiumoxid-basierte Keramikteile eröffnen könnte.

Details

Titel in ÜbersetzungThermoschockverhalten von 3D-gedruckten Aluminiumoxidkeramiken mit eingestellter Porosität.
OriginalspracheEnglisch
QualifikationMSc
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
StatusVeröffentlicht - 2023