Contact Damage of Alumina-Based Layered Ceramics with Tailored Microstructure

Das bioinspirierte Konzept, Keramiken in einer Multischichtbauweise herzustellen, hat sich als eine effiziente Strategie bewährt, um das Sprödigkeitsverhalten zu vermindern und die mechanischen Eigenschaften von Keramiken zu verbessern. Durch die starke Bindung zwischen den Schichten, welche jeweils aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen bestehen, werden beim Abkühlen nach dem Sintern Eigenspannungen in den Schichten induziert. Laminate, in denen die Schichten mit Druckeigenspannung intern eingebettet sind, weisen eine erhöhte Bruchzähigkeit, verringerte Festigkeitsstreuung und ein schadenstolerantes Verhalten auf. Dies wird durch die hemmende Wirkung der Druckeigenspannungen gegen Rissausbreitung erzielt. Neueste Arbeiten haben gezeigt, dass eine zusätzliche Verbesserung der Festigkeit und Bruchzähigkeit durch das gezielte Design der Architektur und Texturierung des Gefüges der Druckschichten erreicht werden kann. Eine weitere wichtige Eigenschaft, die für moderne technische Anwendungen erforderlich ist, ist der Widerstand gegen Kontaktschädigung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kontaktschädigung an Aluminiumoxid-Laminaten mit eingebetteten texturierten Druckspannungsschichten zwischen Aluminiumoxid-Schichten mit equiaxialem Gefüge. Zusätzlich wurde der Einfluss des Gefüges auf die Kontaktschädigung anhand von monolithischen Proben der einzelnen Schichtmaterialien, d.h. equiaxiales und texturiertes Aluminiumoxid, untersucht. Dafür wurden Hertzsche Kugeleindruckversuche durchgeführt. Um die Erstschädigungskräfte zu detektieren und den Schädigungsfortschritt zu erfassen, wurde ein akustisches Messsystem verwendet. Es wurde festgestellt, dass die Kontaktschädigung in texturierten Proben durch schubspannungsinduzierte quasi-plastische Verformung unterhalb der Oberfläche, anstelle von den klassischen Hertzschen ring- und kegelförmigen Rissen, welche in equiaxialem Gefüge entstehen, auftritt. Laminate weisen beide Schädigungsarten auf. Diese sind Kegelrisse in der Oberflächenschicht und quasi-plastische Verformung in der darunterliegenden texturierten Schicht. Die interne texturierte Druckspannungsschicht konnte das Wachstum von Oberflächenrissen durch Rissablenkung auch bei hohen Lasten unterdrücken. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf ein schadenstolerantes Verhalten der Laminate hin und liefern Designvorschläge für verbessertes Verhalten unter Kontaktbelastungen.