@phdthesis{Kimmig2013,
  author    = {Kimmig, Stefan},
  title     = {Herstellung und Charakterisierung von SiC-Faser-verst{\"a}rktem Kupfer zur Anwendung in Hochleistungsw{\"a}rmesenken},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85123},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die Wandmaterialien innerhalb des Plasmagef{\"a}ßes zuk{\"u}nftiger Fusionsreaktoren sind teilweise extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch h{\"o}chstbelastete Bereich der Wand des Torusgef{\"a}ßes ist der Divertor. Hier werden die anfallende Fusionsasche (Helium) und erodierte Wandpartikel aus dem Plasma entfernt, wodurch aufgrund erh{\"o}hter Teilchen-Wand-Interaktion W{\"a}rmefl{\"u}sse von bis zu 15 MW/m² erreicht werden. Wolfram gilt momentan als ideales Wandmaterial mit direktem Plasmakontakt (Plasma-Facing-Material, PFM) f{\"u}r diese Beanspruchungen. Unterhalb des PFM muss die W{\"a}rme m{\"o}glichst effizient in das K{\"u}hlmedium {\"u}bertragen werden. Im zuk{\"u}nftigen Experimentalreaktor ITER wird daf{\"u}r eine Kupferlegierung (CuCrZr) verwendet, welche eine hohe W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit besitzt und f{\"u}r Temperaturen von bis zu 350°C unter fusionsrelevanten Bedingungen einsetzbar ist. In dieser Konfiguration kann ITER mit einer K{\"u}hlmitteltemperatur von 150°C betrieben werden. Zur kommerziellen Energiegewinnung ist dies unzureichend, da die thermische Effizienz durch eine deutliche Anhebung der K{\"u}hlmitteltemperatur verbessert werden muss. Wird der konventionelle Ansatz einer Wasserk{\"u}hlung zu Grunde gelegt, ist das Ziel die K{\"u}hlmitteltemperatur auf mindestens 300°C anzuheben. In der Folge ist CuCrZr als W{\"a}rmesenkenmaterial nicht mehr einsetzbar, da verst{\"a}rkte Alterung und Festigkeitsverlust im Material auftritt. Zus{\"a}tzlich vergr{\"o}ßern sich die thermisch induzierten Spannungen in der Komponente mit h{\"o}heren Temperaturen, durch unterschiedlich große thermische Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien. F{\"u}r h{\"o}here Temperaturen stellt faserverst{\"a}rktes Kupfer eine m{\"o}gliche Alternative dar. Die Kombination der hohen W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der Kupfermatrix mit der hohen Steifigkeit und Festigkeit von Siliziumcarbidfasern soll die n{\"o}tigen thermischen und mechanischen Eigenschaften des W{\"a}rmesenkenmaterials auch f{\"u}r Temperaturen {\"u}ber 350°C gew{\"a}hrleisten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei unterschiedlich hergestellte SiC-Verst{\"a}rkungsfasertypen hinsichtlich ihrer Eignung f{\"u}r die Herstellung eines Kupfer-Matrix-Komposits (CuMMC) untersucht. Die Zielstellung f{\"u}r das CuMMC beinhaltet eine Festigkeit von 300 MPa bei 300°C sowie eine m{\"o}glichst hohe W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit von {\"u}ber 200 W m-1 K-1. Beide Parameter werden stark von der Faserfestigkeit und der Anbindung zwischen Faser und Matrix beeinflusst. Die W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit durch das CuMMC wird von der Kupfermatrix dominiert, wodurch geringere Faservolumenanteile von Vorteil sind. H{\"o}here Faserfestigkeit erfordert geringere Faseranteile zum Erreichen mechanischer Vorgaben, womit die erzielbare W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit des CuMMCs steigt. Die Faserfestigkeit wird durch Einzel-Faser- Zugversuche validiert. Dar{\"u}ber hinaus ist die Anbindung zwischen Faser und Matrix essentiell, um die optimale Verst{\"a}rkungswirkung durch die Fasern im CuMMC zu erzielen. Zur Faser-Matrix-Anbindung werden f{\"u}r jeden Fasertyp unterschiedliche Zwischenschichtsysteme verwendet, die anschließend durch Einzelfaser-Push-Out-Versuche validiert werden. Sind die Voraussetzungen von Faserfestigkeit und Anbindung f{\"u}r einen Fasertyp erf{\"u}llt, wird dieser f{\"u}r die Herstellung eines unidirektional verst{\"a}rkten CuMMCs verwendet, welches bez{\"u}glich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften charakterisiert wird. Die mechanische Charakterisierung des CuMMCs erfolgt durch Zugversuche und dehnungsgeregelte, zyklische Versuche, wobei der Fokus neben der Festigkeit auf der Plastifizierung, Verfestigung und Sch{\"a}digung innerhalb des CuMMCs liegt. Die thermische Charakterisierung erfolgt anhand der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeitsbestimmung sowohl parallel, als auch transversal zur Faserrichtung. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften werden in Abh{\"a}ngigkeit von Faservolumenanteil und Temperatur untersucht. Um den Einfluss von l{\"a}ngeren Betriebsphasen unter hoher thermischer Belastung analysieren zu k{\"o}nnen, wird das CuMMC bei 550°C f{\"u}r 400 h ausgelagert und anschließend wiederum mittels Vergleich seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften auf m{\"o}gliche Sch{\"a}digungen untersucht. Zur Begutachtung von Schliff- und Bruchfl{\"a}chen zur Schadensanalyse stehen als bildgebende Untersuchungsmethoden neben Lichtmikroskopen ebenso Rasterelektronenmikroskope (REM) zur Verf{\"u}gung.},
  subject      = {Kupfer},
  language  = {de}
}