TY - THES

T1 - Bestimmung bruchmechanischer Eigenschaften als Funktion der Temperatur am Beispiel eines PTC-Werkstoffes

AU - Sharova, Eugenia

N1 - gesperrt bis null

PY - 2013

Y1 - 2013

N2 - Bariumtitanat-basierte Elektrokeramiken erfahren bei der Curie-Temperatur (z.B. ca. 125°C) eine Phasenumwandlung. Dabei verändern sie nicht nur ihre elektrischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften. Bei Materialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Materialien), die üblicherweise auf Bariumtitanat-Basis hergestellt werden, ist gerade der hochohmige Bereich über der Curie-Temperatur hinsichtlich mechanischer Eigenschaften nur wenig untersucht. In dieser Arbeit wurde eine ausgewählte PTC-Masse mit dem biaxialen „Ball-on-3-Balls-Test“ (B3B-Test) auf Festigkeit geprüft, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 200°C. Es konnte eine geringe Festigkeitssteigerung, bei gleichzeitigem signifikanten Abfall des Weibull-Moduls festgestellt werden. Zusätzlich wurden die Einflüsse von Luftfeuchtigkeit und Prüfgeschwindigkeit untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass die Festigkeit mit zunehmender Luftfeuchtigkeit stark abnimmt. Auch kleinere Spannungsraten führen zu deutlich geringeren Festigkeitswerten (um bis zu 22%). Das beweist, dass unterkritisches Risswachstum auftritt. Eine weitere wichtige bruchmechanische Kenngröße bei Keramiken stellt die Bruchzähigkeit dar. Ausgehend von dem Wunsch, diese Kenngröße an Originalbauteilen und darüber hinaus bei unterschiedlichen Temperaturen möglichst einfach bestimmen zu können, lag das methodische Hauptziel dieser Arbeit in der Übertragung der bestehenden genormten „Surface-Crack-in-Flexure“-Methode (SCF-Methode) auf scheibenförmige Proben in Kombination mit dem B3B-Test. Die Vorgangsweise wurde zunächst bei Raumtemperatur an einem gut untersuchten linear-elastischen Referenzmaterial, nämlich Siliziumnitrid, analysiert. Im Vergleich zu herkömmlichen standardisierten Zähigkeitsmessmethoden ergab die modifizierte SCF-Methode übereinstimmende Bruchzähigkeits-Werte für Siliziumnitrid. Schließlich wurde die Bruchzähigkeitsmessung am nicht linear-elastischen PTC-Material sowohl bei Raumtemperatur als auch deutlich über der Curie-Temperatur durchgeführt. Sowohl die standardisierte, als auch die modifizierte SCF-Methode ergaben übereinstimmende Bruchzähigkeitswerte. Aufgrund einer fraktographischen Besonderheit bei 200°C lassen sich die Anfangsrissgrößen und somit die Bruchzähigkeitswerte mit überraschend geringer Streuung bestimmen.

AB - Bariumtitanat-basierte Elektrokeramiken erfahren bei der Curie-Temperatur (z.B. ca. 125°C) eine Phasenumwandlung. Dabei verändern sie nicht nur ihre elektrischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften. Bei Materialien mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Materialien), die üblicherweise auf Bariumtitanat-Basis hergestellt werden, ist gerade der hochohmige Bereich über der Curie-Temperatur hinsichtlich mechanischer Eigenschaften nur wenig untersucht. In dieser Arbeit wurde eine ausgewählte PTC-Masse mit dem biaxialen „Ball-on-3-Balls-Test“ (B3B-Test) auf Festigkeit geprüft, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 200°C. Es konnte eine geringe Festigkeitssteigerung, bei gleichzeitigem signifikanten Abfall des Weibull-Moduls festgestellt werden. Zusätzlich wurden die Einflüsse von Luftfeuchtigkeit und Prüfgeschwindigkeit untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass die Festigkeit mit zunehmender Luftfeuchtigkeit stark abnimmt. Auch kleinere Spannungsraten führen zu deutlich geringeren Festigkeitswerten (um bis zu 22%). Das beweist, dass unterkritisches Risswachstum auftritt. Eine weitere wichtige bruchmechanische Kenngröße bei Keramiken stellt die Bruchzähigkeit dar. Ausgehend von dem Wunsch, diese Kenngröße an Originalbauteilen und darüber hinaus bei unterschiedlichen Temperaturen möglichst einfach bestimmen zu können, lag das methodische Hauptziel dieser Arbeit in der Übertragung der bestehenden genormten „Surface-Crack-in-Flexure“-Methode (SCF-Methode) auf scheibenförmige Proben in Kombination mit dem B3B-Test. Die Vorgangsweise wurde zunächst bei Raumtemperatur an einem gut untersuchten linear-elastischen Referenzmaterial, nämlich Siliziumnitrid, analysiert. Im Vergleich zu herkömmlichen standardisierten Zähigkeitsmessmethoden ergab die modifizierte SCF-Methode übereinstimmende Bruchzähigkeits-Werte für Siliziumnitrid. Schließlich wurde die Bruchzähigkeitsmessung am nicht linear-elastischen PTC-Material sowohl bei Raumtemperatur als auch deutlich über der Curie-Temperatur durchgeführt. Sowohl die standardisierte, als auch die modifizierte SCF-Methode ergaben übereinstimmende Bruchzähigkeitswerte. Aufgrund einer fraktographischen Besonderheit bei 200°C lassen sich die Anfangsrissgrößen und somit die Bruchzähigkeitswerte mit überraschend geringer Streuung bestimmen.

KW - PTC

KW - Festigkeit

KW - 4-Kugel-Versuch

KW - Bruchzähigkeit

KW - PTC

KW - strength

KW - B3B test

KW - fracture toughness

M3 - Diplomarbeit

ER -