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The development of ceramic matrix composites, with their increasing use in high temperature and corrosive environment applications, is still restricted to ‘trial and error’ approach in comparison to other conventional materials like metals. The main reason behind that is the lack of experimental data due to high manufacturing costs of CMCs which generally includes a chain of several complex processes. This adds to the complexity of this material class and thus, makes it a difficult task to establish a relationship between a component with desired properties and the manufacturing parameters required to realise it. In the current work, the digital aspects are investigated from two point of views to use numerical methods to support the material design process: ‘material’ and ‘manufacturing process’. The case ‘material’ is the focus of this work where, ‘process-structure-property-performance’ (PSPP) relationship is established to study the entire life cycle of a CMC component, starting from the intermediate products, such as fibre preforms or green bodies prior to siliconization process, used in the processing to the mechanical performance of the final machined component under operating conditions. Each aspect of the PSPP relationship is discussed in detail and its implementation is demonstrated with the help of a numerical example. Cohesive zone elements at micro-level and homogenous damage development at macro-level were used to define the non-linear behaviour of the material under mechanical loading. Experimental results obtained for different CMCs such as C/C-SiC, C/SiCN, SiC/SiCN and Al2O3/ Al2O3 were used to validate the results obtained for the finite element models at different scales ranging from micro to macro. With the help of data analysis techniques like image segmentation and machine learning algorithm, computationally inexpensive data-based surrogate models were generated from accurate but computationally expensive physics-based models. A detailed review of the available numerical methods to model the manufacturing process and the process monitoring techniques is given. Based on the data and information obtained from the modelling of the material and the manufacturing process, a concept is proposed for optimized development of a CMC part. The concept combines the generated data with quantified expertise in the fields of material science to realise a manufacturing process chain to facilitate the material design process for CMCs. With the implementation of such an approach, the production cost of CMCs can be reduced by knowledge-based selection of the CMC constituents and manufacturing parameters. This will open the door for new applications of CMCs which would enable the material community to extend their use to other cost-efficient high temperature applications. Die Entwicklung von Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix, die zunehmend bei hohen Temperaturen und in korrosiven Umgebungen zum Einsatz kommen, ist im Vergleich zu anderen herkömmlichen Werkstoffen wie Metallen noch immer auf ein "Versuch-und-Irrtum"-Konzept beschränkt. Der Hauptgrund dafür ist der Mangel an experimentellen Daten aufgrund der hohen Herstellungskosten von CMCs, die im Allgemeinen eine Prozesskette aus mehreren komplexen Verfahrensschritten umfassen. Dies trägt zur Komplexität dieser Werkstoffklasse bei und macht es somit schwierig, eine Beziehung zwischen einem Bauteil mit gewünschten Eigenschaften und den Herstellungsparametern herzustellen. In der vorliegenden Arbeit werden die digitalen Aspekte aus zwei unterschiedlichen Blickwinkeln untersucht, um numerische Methoden zur Unterstützung der Werkstoffauslegung einzusetzen: 'Werkstoff' und 'Herstellungsprozess'. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der "Werkstoff", bei dem die "Process-Structure-Property-Performance"-Beziehung (PSPP) hergestellt wird, um den gesamten Lebenszyklus eines CMC-Bauteils zu untersuchen. Angefangen bei den Zwischenprodukten, wie z. B. den Faser-Vorkörpern (Preform)vor dem Silizierverfahren, die die Basis der Verarbeitung bilden, bis hin zur mechanischen Belastungsgrenze des fertig bearbeiteten Bauteils unter Betriebsbedingungen. Jeder Aspekt der PSPP-Beziehung wird im Detail untersucht und ihre Umsetzung anhand eines numerischen Beispiels demonstriert. Kohäsive Zonenelemente auf der Mikroebene und homogene Schädigungsentwicklung auf der Makroebene wurden verwendet, um das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs unter mechanischer Belastung zu definieren. Experimentelle Ergebnisse, die für verschiedene CMCs wie C/C-SiC, C/SiCN, SiC/SiCN und Al2O3/ Al2O3 erzielt wurden, dienten zur Validierung der Ergebnisse der Finite-Elemente-Modelle auf verschiedenen Skalen von Mikro bis Makro. Mit Hilfe von Datenanalysemethoden wie Bildsegmentierung und ‚Machine-Learning-Algorithmen‘ wurden aus genauen, aber rechenintensiven physikalischen Modellen zeiteffiziente datenbasierte Ersatzmodelle erstellt. Es wird ein detaillierter Überblick über die verfügbaren numerischen Methoden zur Modellierung des Fertigungsprozesses und der Prozessüberwachungstechniken gegeben. Auf der Grundlage der Daten und Informationen, die aus der Modellierung des Materials und der Herstellungsprozesse gewonnen wurden, wird ein Konzept für die optimierte Entwicklung eines CMC-Bauteils vorgeschlagen. Das Konzept kombiniert die generierten Daten mit quantifiziertem Fachwissen in den Bereichen der Materialwissenschaft, um eine Fertigungsprozesskette zu realisieren, die die Werkstoffauslegung für CMCs erleichtert. Mit der Umsetzung eines solchen Ansatzes können die Produktionskosten von CMCs durch eine wissensbasierte Auswahl der CMC-Bestandteile und Herstellungsparameter gesenkt werden. Dies wird die Tür für neue Anwendungen von CMCs öffnen, die es der Materialgemeinschaft ermöglichen wird, ihre Verwendung auf andere kosteneffiziente Hochtemperaturanwendungen auszuweiten.

Im Zuge dieser Dissertationsarbeit sind für einen SiC/SiC Faserverbundwerkstoff Schutzschichtsysteme entwickelt worden, um den SiC Werkstoff gegen korrosive Einflüsse bei Temperaruten von mehr als 1200°C zu schützen. Nach der Auswahl geeigneter Materialkandidaten wurde ihre Korrosionsresistenz gegen Kalzium-Magnesium-Aluminium-Silikate (CMAS) untersucht. Die Kandidaten \(Yb_{2}Si_{2}O_{7}\) sowie ein Komposit aus \(Yb_{2}Si_{2}O_{7}\) und \(Yb_{2}SiO_{5}\), sind mit verschiedenen thermischen Spritzverfahren und Prozessparametervariierungen auf dem CMC aufgetragen worden. Ziel war die Erstellung dichter und kristalliner Schichten. Zur Verbesserung der Haftung der Schichten ist die Oberfläche der Haftvermittlerschicht mithilfe eines Lasers strukturiert und die Steigerung mit einem adaptierten Grenzflächenzähigkeitstest überprüft worden. In einer abschließenden Versuchsreihe wurde ein Si-\(Yb_{2}Si_{2}O_{7}\)-Schichtsystem von vormals flachen auf 3D-Substrate in Form einer Turbinenschaufelkante übertragen., Energie & Umwelt, 528

Die Infiltration von porösen Kohlenstoffvorformen mit flüssigem Silicium ist eine der wirtschaftlichsten Technologien zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid. Trotz jahrzehntelanger Forschung sind die physikalischen Phänomene an der Infiltrationsfront noch nicht hinreichend verstanden worden. Die vorliegende Arbeit dient dazu, diese Forschungslücken zu schließen. Hierzu befasst sie sich zunächst mit den bisher bekannten Infiltrationsmodellen. Anschließend wird ein neuartiger Versuchsaufbau vorgestellt, der eine In-situ-Beobachtung einer Spaltkapillare aus Glaskohlenstoff während der Siliciuminfiltration ermöglicht. Die Versuche zeigten, dass sich die Infiltrationskinetik grundlegend von den Vorhersagen der bekannten Infiltrationsmodelle unterscheidet. Abschließend wird der Aufbau eines numerischen Modells erläutert, das erstmals die reaktive Infiltration der Kohlenstoffvorformen im Dreidimensionalen simuliert. Dabei führen eine neue Infiltrationsgleichung und ein zeitabhängiger Diffusionskoeffizient zu einer guten Übereinstimmung von Simulations- und Messergebnisse., The liquid phase infiltration of porous carbon preforms with silicon, commonly referred to as Liquid Silicon Infiltration (LSI), is one of the most economical technologies for the production of carbon fiber reinforced silicon carbide (C/SiC). Despite decades of research, the physical phenomena on the infiltration front have not yet been sufficiently understood. Consequently, up to now there is no mechanistic model of the reactive infiltration process that could help to optimize the production process of C/SiC components. The present work serves to close the research gaps and provide a validated simulation model for process optimization. The present study was divided into three parts, with the first part initially dealing with the manufacturing processes of C/SiC components. Subsequently, the basic chemical and physical processes of the reaction of silicon and carbon to silicon carbide are explained. Followed by the previous understanding of the infiltration of porous carbon fiber reinforced carbon preforms (C/C-Preforms) with liquid silicon, the state of the art will be dealt with using the existing infiltration and diffusion models. The second part deals with the investigation of the LSI process by a newly developed experimental setup. This enables in situ observation during the infiltration of a gap capillary of glassy carbon with silicon. Originally, the experimental setup was intended to validate the previously recognized infiltration models based on general capillary theory. However, the experiments showed that the infiltration kinetics fundamentally differ from the behavior predicted by the known infiltration models. Further investigations led to new findings, which enabled the development of a mesoscopic model for predicting the actual infiltration behavior. With the infiltration and investigation of porous C/C materials, the scope of the infiltration model is extended to commercial C/C materials. The third and last part deals with the structure of a numerical model for the simulation of the LSI process. The calculation model, based on the finite element method, includes both infiltration and reaction kinetics. For the first time, the reactive infiltration of porous C/C preforms was simulated in three dimensions and the model was validated with in situ measurements. A newly developed infiltration equation and the introduction of a time-dependent diffusion coefficient led to a good agreement between simulation and measurement results as well as to short computation times even for complex components on an industrial scale.

Ill., graph. Darst.

Carbon fibre reinforced SiC, the most widely used CMC materials, can be divided up into two main types, C/SiC and C/C-SiC, mainly differing in their microstructural design. C/SiC materials are characterized by C fibres, embedded almost separately in SiC matrix. Therefore, fibre preforms are used and the SiC matrix is built up by Chemical Vapour Infiltration (CVI) or Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP). In contrast, C/C-SiC materials are based on porous Carbon/Carbon (C/C) preforms. Thereby, not the single fibres, but dense C/C bundles, consisting of several hundreds of C fibres, embedded in a C matrix, are again embedded in a SiC matrix, build up by Liquid Silicon Infiltration (LSI). In this presentation, the influences of the manufacturing methods on the morphology and properties of the resulting CMC materials, as well as on the feasibility of components are shown, and an overview of current applications is given.

Ill., graph. Darst.