Bruchmechanische Untersuchung gelöteter Metall-Keramik-Verbunde

Zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbindungen für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) werden am Fraunhofer IKTS neuartige metallische Reaktivlote auf Basis von Silber mit Kupferoxid als Aktivelement entwickelt. Durch die Variation des CuO-Gehaltes im Lot wird deren Benetzungsverhalten auf Keramik und Metall angepasst. Die Arbeiten befassen sich mit der mechanischen Festigkeit und der Langzeitstabilität der gelöteten Metall-Keramik-Verbindungen und der mikroskopischen Analyse der Bruchflächen, um die Bruchmechanismen zu bestimmen. Die fünf untersuchten Lotpasten haben eine Biegefestigkeit von 40 bis 174 MPa gezeigt. Der Verbund ITM-LC / Ag-4 mol-% CuO / 3YSZ bringt die höchste Festigkeit von den Titanfreien Lotpasten im Ausgangszustand. Der Zusatz von 0,5 mol-% Titanhydrid hat die Festigkeit auf 199 MPa erhöht. Der Zugabe von GeO2 und Silizium verkleinert die Festigkeit der Lotpasten. Nach Alterung des Metall-Keramik-Verbundes fällt die Festigkeit der ausgewählten Proben auf ca. 45 MPa ab. Der Festigkeitsabfall steht in direktem Zusammenhang mit dem Wachstum der Reaktionsschichtdicke. Die Korrelation der Kraft-Weg-Kurven mit der Bruchflächenanalyse hat gezeigt, dass der Bruch immer an den Grenzflächen in der Oxidschicht stattfindet. Der Riss verläuft während des Bruchs durch das Lot von einer Grenzfläche zu der anderen.