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Computergestütztes Materialdesign: Mikrostruktur und elektrische Eigenschaften von Zirkoniumdioxid–Aluminiumoxid Keramiken

Computer-Aided Material Design: Microstructure and Electrical Properties of Zirconia-Alumina-Ceramics
 
: Müller, T.M.

:
Fulltext (PDF; )

Würzburg, 2015, 134 pp.
Würzburg, Univ., Diss., 2015
URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-110942
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ISC ()

Abstract
Die Mikrostruktur von Zirkonoxid–Aluminiumoxid Keramiken wurde im Rasterelektronenmikroskop (REM) untersucht und mittels quantitativer Bildanalyse weiter charakterisiert. Die so erhaltenen spezifischen morphologischen Kennwerte wurden mit denen, die an dreidimensionalen Modellstrukturen äquivalent gewonnen wurden, verglichen. Es wurden modifizierte Voronoistrukturen benutzt, um die beteiligten Phasen in repräsentativen Volumenelementen (RVE) auf Voxelbasis zu erzeugen. Poren wurden an den Ecken und Kanten dieser Strukturen nachträglich hinzugefüg.

Nachdem alle relevanten Kennwerte der Modellstrukturen an die realen keramischen Mikrostrukturen angepasst wurden, musste das RVE für die Finite Element Simulationen (FES) geeignet vernetzt werden. Eine einfache Übernahme der Voxelstrukturen in hexaedrische Elemente führt zu sehr langen Rechenzeiten, und die erforderliche Genauigkeit der FES konnte nicht erreicht werden. Deshalb wurde zunächst eine adaptive Oberflächenvernetzung ausgehend von einem generally classed marching tetrahedra Algorithmus erzeugt. Dabei wurde besonderer Wert auf die Beibehaltung der zuvor angepassten Kennwerte gelegt. Um die Rechenzeiten zu verkürzen ohne die Genauigkeit der FES zu beeinträchtigen, wurden die Oberflächenvernetzungen dergestalt vereinfacht, dass eine hohe Auflösung an den Ecken und Kanten der Strukturen erhalten blieb, während sie an flachen Korngrenzen stark verringert wurde. Auf Basis dieser Oberflächenvernetzung wurden Volumenvernetzungen, inklusive der Abbildung der Korngrenzen durch Volumenelemente, erzeugt und für die FES benutzt. Dazu wurde ein FE-Modell zur Simulation der Impedanzspektren aufgestellt und validiert.

Um das makroskopische elektrische Verhalten der polykristallinen Keramiken zu simulieren, mussten zunächst die elektrischen Eigenschaften der beteiligten Einzelphasen gemessen werden. Dazu wurde eine Anlage zur Impedanzspektroskopie bis 1000 °C aufgebaut und verwendet. Durch weitere Auswertung der experimentellen Daten unter besonderer Berücksichtigung der Korngrenzeffekte wurden die individuellen Phaseneigenschaften erhalten.

Die Zusammensetzung der Mischkeramiken reichte von purem Zirkonoxid (3YSZ) bis zu purem Aluminiumoxid. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und simulierten Werten bezüglich der betrachteten elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften erreicht. Die FES wurden verwendet, um die Einflüsse verschiedener mikrostruktureller Parameter, wie Porosität, Korngröße und Komposition, auf das makroskopische Materialverhalten näher zu untersuchen.

 

The microstructures of zirconia–alumina ceramics are investigated by scanning electron microscopy (SEM) and further characterised by quantitative image analysis. This leads to specific morphological parameters which are compared with the same parameters derived from three-dimensional model structures generated in voxel-based representative volume elements (RVE). Modified Voronoi clusters are employed to represent alumina and zirconia phases. Pores are added at the grain corners and edges respectively.

After adjusting all the relevant morphological parameters of the model to the real ceramics’ microstructure, the RVE has to be meshed for finite element simulations (FES). Hexahedral elements which simply use the voxel structure did not lead to sufficient accuracy of the FES. As a first step, an adapted surface tessellation is generated, using a generally classed marching tetrahedra method. Special care is taken to preserve the topology as well as the individual volumes and interfaces of the model. In terms of processing time and accuracy of the FES it is very important to simplify the initially generated surface mesh in a manner that preserves detailed resolution at corners and along edges, while decimating the number of surface elements in flat regions, i.e. at the grain boundaries. From the surface mesh an adequate tetrahedral volume tessellation, including solid elements representing the grain boundaries, is created, which is used for the FES. Therefore, a FE-model for the simulation of impedance spectra has been established and validated.

To simulate the macroscopic electrical behaviour of polycrystalline ceramics, the electrical properties of the individual constituting phases need to be measured. This is done by impedance spectroscopy up to 1000 °C. Further analysis of the experimental data with special respect to the effect of the grain boundaries is carried out to obtain the individual phases’ properties.

The sample composition was varied from pure zirconia to pure alumina. A very good agreement between experimental and simulated data was achieved in terms of electrical, thermal and mechanical properties. The FES were employed to scrutinize the effects of systematically varying microstructural properties, such as porosity, grain size and composition, on the macroscopic material behaviour.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-442093.html