Dynamic modeling of crack propagation in ceramic laminate toughened composites with weak interfaces by using discrete element method

  • Dynamische Modellierung der Rissausbreitung in gehärteten Keramik-Laminat-Verbundstoffen mit schwachen Schnittstellen mithilfe der Diskrete-Elemente-Methode

Zhang, Wen; Telle, Rainer (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013, 2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Keramik kann durch die Einführung schwachen Schnittstellen, die einen wachsenden Riss abzulenken kann verstärkt werden. Die Anwesenheit von schwachen Grenzflächen in einem spröden Material besteht daraus folgende Zunahme des Risswachstumwiderstands. Das Versagen der verstärkten Keramiken zeigen die sogenannten "graceful failure" (nicht katastrophal versagen). Um den dynamischen Prozess der Rissausbreitung in solchen verstärkten keramischen Laminaten numerisch zu reproduzieren, das Risswachstum in den SiC-C Laminat mit dem Graphit als schwache Schnittstellen wird mit Diskreten-Elemente-Methode (DEM) untersucht. Die zweidimensionale Bonded-Particle-Model (BPM) wird für Modellieren und Kalibrieren für die SiC und Graphit verwendet. In Bezug auf die Dicke der dünnen Zwischenschicht, werden zwei verschiedene BPMs getestet, und ein einfaches und explizites Modell ist für die Modellierung von SiC-C Laminat vorgeschlagen. Die Machbarkeit der Anwendung von BPM zu modellieren Bruchverhaltensweisen von Laminat wurde bestätigt. Durch die Modellierung der Drei-Punkt-Biegeversuch des Laminates werden Bruchverhaltensweisen wie Delamination und Rissablenkung dynamisch beobachtet. Die Beladungskurve zeigt die "graceful failure" Eigenschaften und in den modellierten Laminate werden wesentlichen R-Kurve Verhaltensweisen gefunden. Es wird darauf hingewiesen, dass für das Verstärkungseffekt aufzutreten, die Festigkeit der schwachen Schnittstelle muss in einem bestimmten Bereich liegen. Um die Festigkeit des Laminates zu erhöhen, ist eine minimale Präsenz der schwachen Schnittstelle notwendig. Rissablenkung als Verstärkungsmechanismus hat direktes Analogon in einigen biologischen Strukturen wie Knochen, Holz und Perlmutt. Bei sehr komplexen hierarchischen Designs in ihrer hochentwickelten Struktur sind diese Materialien in der Regel schwer zu imitieren und zu synthetisieren. Aus DEM Modellierung können effektiv Designs Optimierungen und Vorschläge zur Herstellung bio-imitieren Laminat gewonnen werden, wie z.B. die geeignete Festigkeit der schwachen Schnittstelle und der optimalen Anzahl von schwachen Grenzflächen in Bezug auf bestimmte Laminat Geometrie. Mit der Weiterentwicklung dieser Modell (dreidimensionale), würden andere Anwendungen möglich sein, z.B. die dynamische Modellierung der Rissausbreitung in faserverstärkten Verbundwerkstoffen und das Verständnis des komplexen "Knautschzone", die in MAX-Phasen beobachtet werden.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Keramik und Institut für Gesteinshüttenkunde [524110]

Identifikationsnummern