Modellierung von Anisotropieentwicklung und Rissausbreitung beim Sintern dünner keramischer Schichten

Das Sintern dünner Keramikstreifen auf Substrat wurde mit einem partikel-basierten Simulationsverfahren untersucht, dem die Diskrete Elemente Methode (DEM) zugrunde liegt. Zum Einsatz kam dabei unter anderem ein neues Kornvergröberungsmodell, das unter Wahrung der Massenerhaltung kleine Partikel zugunsten von großen Partikeln schrumpfen lässt.
Es zeigten sich die aus der Realität bekannten Effekte einer verzögerten Sinterrate im Vergleich zum freien Sintern, die Entwicklung eines Dichte- bzw. Porengradienten über die Streifenhöhe und die Entstehung einer anisotropen Gefügestruktur. Darüber hinaus kam es an der Substratgrenzfläche zur Delamination der seitlichen Streifenkanten. Ausgehend von einer vorhandenen Kavität traten zudem gerichtete Risse mit Orientierung zum Streifenrand auf. Die Validierung des Modells und der Ergebnisse erfolgte über einen direkten quantitativen Vergleich mit Daten aus extern durchgeführten Experimenten unter Verwendung von gleichartigen Keramikproben. Die Ergebnisse zeigten untereinander eine sehr gute Übereinstimmung. Zudem wurden in der Simulation einzelne Parameter systematisch variiert, um deren Einfluss auf die beobachteten Effekte zu untersuchen.