Interface problem in ultra-high temperature ceramic matrix composites

The aim of this thesis is to characterize, study and model the fiber/matrix interface area in ceramic composite for high temperature applications reinforced with short carbon fibres. This work is the result of a collaboration with the Institute of Science and Technology of Ceramic belonging to the National Research Council (ISTEC-CNR), which is carrying out studies on these materials with the ultimate aim of finding an optimal composite configuration that meets the challenging requirements of ablation resistance, mechanical strength and fracture toughness. First, the ultra-refractory ceramic composites based on zirconium diborur (ZrB2) and silicon carbide (SiC) reinforced with various fraction of short carbon fiber (Cf) are described as well as the thermo-mechanical characteristics of experimentally characterized. Based on these experimental results, functionally graded composite architectures have been designed with the aim of combining lightness, fracture toughness and oxidation resistance. Therefore, compositions with different fiber content were combined into (AB)nA, ABCD or more complex geometries and thermo-elastic analyses were conducted using software Abaqus® to estimate the level of residual stress, particularly of suitable compression state leading to toughening. These newly designed architectures have been produced and the fracture toughness measured confirming that in all cases a toughness increment was recorded as compared to the mono-reinforced materials. The newly developed FGCs simultaneously achieved a higher load before rupture and a more tolerant failure profile, i.e. after the first crack formed, a small drop in load followed. The toughest architecture was accordingly the one where fracture originated in a zone featured by compressive stresses. Microstructure, analyses have shown that the amount of carbon fiber inserted in the ceramic matrix determines a different type of interface, that is below 30% the fiber/matrix interface is characterized by reaction products, such as carbides and silicides, and therefore strong. On the contrary, above 30vol%, the matrix fibre interface appears progressively cleaner with reaction products distributed discontinuously and therefore weak. It was therefore possible to highlight two types of interface zones, with their properties and the type of reinforcing mechanisms that act depending on the fiber content: mainly bridging for strong fiber/matrix bonds and pull-out for weak bonds. A numerical methodology has therefore been created to characterise the various aspects of this micro-mechanical problem. In order to identify how defects are generated and propagate when the material is subjected to a cooling process from the process temperature of 1900°C, Representative Volume Elements (RVE) have been developed, both bi-dimensional and tri-dimensional, characterized by three components: the carbon fiber, the ZrB$_{2}$ ceramic matrix and the SiC phase that wraps the fibers during mixing and sintering. A cohesive element approach (CZM) was used to model the interface between fibre-coating and between coating-matrix using the relevant module in Abaqus®. With regard to the evolution of the damages in the various composites, the extended Finite Element Method (XFEM) has been adopted to estimate the values and graphically visualize the trend according to parameters such as defect position, fiber content, interface type. Finally, the last section of this work deals with the development of fiber push-up models with the aim of determining the forces necessary for the complete detachment of the fiber from the matrix.

Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di caratterizzare, studiare e modellare la zona di interfaccia tra fibra e matrice ceramica in materiali per applicazioni ad alte temperature rinforzati con fibre corte di carbonio. Tale lavoro è frutto di una collaborazione con l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici appartenente al Consiglio Nazionale delle Ricerche (ISTEC-CNR), il quale sta svolgendo studi su i materiali in oggetto, con lo scopo ultimo di trovare una configurazione dei compositi ottimale che soddisfi requisiti di resistenza all'ablazione a 2000°C, resistenza meccanica e tenacità alla frattura. Nel primo capitolo vengono descritti i compositi ceramici ultra-refrattari a base di diboruro di zirconio (ZrB2) e carburo di silicio (SiC) rinforzati con fibra corta di carbonio (Cf) e riportate le caratteristiche termo-meccaniche dei materiali ricavate sperimentalmente. Partendo da questi risultati sperimentali, sono state ideate architetture del composito a gradiente funzionale, con lo scopo di unire leggerezza, tenacità alla frattura e resistenza all'ossidazione. Pertanto, composizioni a diverso contenuto di fibra sono state abbinate in geometrie di tipo (AB)nA, ABCD o più complesse e sono state condotte analisi termo-elastiche mediante software Abaqus® per stimare il livello di stress residui e l'insorgere di meccanismi di tenacizzazione. Le stesse architetture sono state sperimentalmente prodotte e le tenacità misurate evidenziando che in tutti i casi si è misurato un incremento di tenacità rispetto ai materiali mono-rinforzati. Inoltre, queste nuove configurazioni permetto di raggiungere carichi più elevati prima della rottura e un'evoluzione del danno più progressivo, cioè dopo la formazione della prima cricca, è seguito un piccolo calo del carico. L'architettura più dura è stata quindi quella in cui la frattura ha avuto origine in una zona caratterizzata da sollecitazioni di compressione. Poichè, le analisi delle varie microstrutture hanno evidenziato come la quantità di fibra di carbonio inserita nella matrice ceramica determini un diverso tipo di interfaccia, ovvero per frazioni volumetriche al di sotto del 30% l'interfaccia fibra/matrice è caratterizzata da prodotti di reazione, quali carburi e siliciuri, e quindi forte, mentre al di sopra del 30vol%, l'interfaccia fibra matrice appare progressivamente più pulita con prodotti di reazione distribuiti in maniera discontinua e quindi più debole, sono state evidenziate due zone di interfaccia, con le relative proprietà e il tipo di meccanismi di rinforzo che agiscono a seconda del contenuto di fibra: principalmente bridging per legami fibra/matrice forti e pull-out per legami deboli. Si è quindi proceduto alla creazione di una metodologia numerica atta a caratterizzare i diversi aspetti di tale problema micro-meccanico. Con lo scopo di studiare come i difetti si generano e propagano quando il materiale è sottoposto ad un processo di raffreddamento dalla temperatura di processo di 1900°C, sono stati sviluppati Representative Volume Elements (RVE) sia bi-dimensionali che tri-dimensionali caratterizzati da tre componenti: la fibra di carbonio, la matrice ceramica di ZrB2 e la fase di SiC che avvolge le fibre durante i processi di miscelazione e sinterizzazione. Per modellare l'interfaccia tra la fibra-materiale di rivestimento e tra quest'ultimo e la matrice è stato utilizzato un approccio con elementi coesivi (CZM) impiegando il relativo modulo in Abaqus®. Per quanto riguarda invece l'evoluzione dei danni nei vari compositi è stato adottato l'eXtended Finite Element Method (XFEM) per stimarne i valori e graficamente visualizzarne l'andamento a seconda di parametri come posizione del difetto, contenuto di fibra, tipo di interfaccia. Infine, l'ultima sezione di questo lavoro tratta lo sviluppo di modelli di fiber push-up con l'obiettivo di determinare la forze necessarie al distacco completo della fibra dalla matrice.