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Verformungs- und Sinterverhalten verstärkter präkeramischer Papiere

Fachliche Zuordnung Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Förderung Förderung von 2010 bis 2013
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 190539921
 
Erstellungsjahr 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die Forschungsarbeit in diesem Projekt wurden präkeramische Papiere erzeugt, die eine Retention von über 95 Gew.-% aufwiesen. Die Homogenität der Papiere wurde soweit optimiert, dass die lokalen Werte der Papierdicke und der Grammatur um weniger als 20 % von den jeweiligen Mittelwerten, die auf die gesamte Papierfläche bezogen waren, abwichen. Den präkeramischen Papieren wurde dazu ein Gehalt von 0,10 Gew.-% des Retentionsmittels Polyacrylamid hinzugefügt. Mit einem weiteren Bestandteil, dem Acrylnitril-Latex, der zu 3 Gew.-% in den Papieren enthalten war, konnte eine Erhöhung der Elastizität der präkeramischen Papiere unter Zugbelastung erreicht werden. Eine Verdichtung der präkeramischen Papiere konnte mittels eines Kalanders herbeigeführt werden, sodass die Papierdichte um bis zu 25 % anstieg. Durch das Kalandern konnten auch die Zugfestigkeiten der Papiere in ihren Werten beinahe verdoppelt werden. Beim Kalandrieren der Papiere führte eine Erhöhung der Kalanderrollen-Temperaturen zu eine stärkeren Verdichtung, jedoch trat eine durchgängige Verdichtung der Papiere, bis das Innerste, bei keiner von den getesteten Kalander-Einstellungen auf. Die Umformung von geraden Papierstücken zu Wellenstrukturen war nötig, um Papier-abgeleitete Leichtbau-Keramik-Strukturen erzeugen zu können. Diese Umformung wurde durch den Einsatz von Riffelwalzen mit verschieden großen Radien durchgeführt. Je geringer die Papierdicke war, umso leichter war es, präkeramische Papiere durch das Riffeln zu verformen. Mit einer Erhöhung der Papierfeuchtigkeit durch die Zugabe von Wasser zu den Papieren konnten glattere Papieroberflächen nach der Riffelung erreicht werden. Die geriffelten präkeramischen Papiere konnten dann erfolgreich zu schwindungsarmen Wellstrukturen verklebt werden. Um eine schwindungsarme Umwandlung der präkeramischen Papiere zu Keramiken zu sicherzustellen, war sowohl der Schritt der Entbinderung, als auch die anschließende Sinterung des entbinderten Grünkörpers wichtig. Durch die Einrichtung eines Temperaturprogramms mit einem gedrosselten Aufheizschritt, zwischen 250 und 700 °C, konnten während der Entbinderung entstehenden Verbrennungsgase mit einer ausreichend langsamen Rate entweichen, sodass Papier-abgeleitete Keramiken Gesamtporositäten zwischen 20 und 70 Vol.-% hergestellt werden konnten. Präkeramischen Papiere mit monomodalen Partikel-Füllstoffen konnten zu dichteren Keramiken gesintert werden, als solche mit bimodalen Partikel-Füllstoffen. Entsprechend der höheren Sinteraktivität der feinkörnigeren, monomodalen Partikel-Füllstoffe, genügten tiefere Sintertemperaturen, um eine Verdichtung der Papier-abgeleiteten Keramiken zu erhalten. Beim Einsatz keramischer Fasern traten an den Stellen rund um der keramischen Fasern Poren auf. Einerseits könnten diese Poren eine Faser-Verstärkung der Papier-abgeleiteten Keramiken ermöglichen, andererseits erhöhte sich die Gesamtporosität der Papier-abgeleiteten Keramiken durch die keramischen Fasern signifikant, was einen Abfall der Biegebruchfestigkeit nach sich zog. Den Gesamtporositäten der Papier-abgeleiteten Keramiken entsprechend, erreichten die Werte der lateralen Schwindungen bei Keramiken aus gesintertem monomodalen ZrO2 bei einer Sintertemperatur von 1600 °C einen Wert von 30 %. Bei präkeramischen Papieren mit Partikel-Füllstoffe aus Al2O3 lagen, auf Grund der geringeren Sinteraktivität, laterale Schwindungen nahe 20 % vor. Durch den Einsatz keramischer Fasern fielen die Werte der lateralen Schwindung auf unter 20 % durch die Zugabe von ZrO2-Fasern und auf unter 10 % durch die Zugabe von Al2O3-Fasern oder von Mullit-Fasern. Nach dem Kalandrieren von präkeramischen Papieren ohne keramische Fasern bei der höchsten ausgewählten Kalandertemperatur und dem höchsten Liniendruck konnten die präkeramischen Papiere soweit verdichtet werden, dass ihre lateralen Schwindungen auf Werte von bis zu 5 % abgesenkt wurden. Bei der vertikalen Schwindung gab es deutliche Unterschiede, in Abhängigkeit von der Sinteraktivität der eingesetzten Partikel-Füllstoffe. Die Papierdicke von präkeramischen Papieren mit bimodalem Al2O3-Füllstoff blieb beinahe unverändert als Dicke der Papier-abgeleiteten Keramik nach dem Sintern erhalten. Hingegen lagen die vertikalen Schwindungen der Papiere mit monomodalen Partikel-Füllstoffen in einem Bereich von 20 bis 30 %. Wie auch bei der lateralen Schwindung, wurde eine geringere vertikale Schwindung für Papiere mit keramischen Fasern festgestellt, wobei sich auch hier geringere Werte für die Al2O3 – Fasern oder für die Mullit-Fasern ergaben, als für die ZrO2 –Fasern. Die Biegebruchfestigkeiten der Papier-abgeleiteten Keramiken lagen beim Einsatz monomodaler Partikel-Füllstoffe und bei einer Sintertemperatur von 1600 °C in einem Wertebereich nahe 80 MPa. Dieser Wert war, mit etwa 25 MPa, allerdings wesentlich niedriger, wenn bimodaler Partikel-Füllstoff verwendet wurde. Für die Papier-abgeleiteten Keramiken mit keramischen Fasern wurden allerdings wesentlich niedrigere Biegebruchfestigkeiten ermittelt, als für diejenigen Keramiken ohne keramische Fasern. Die Biegebruchfestigkeit fiel hier auf einen Wert von bis zu 8 MPa bei einem Gehalt von etwa 10 Vol.-% an Al2O3-Fasern und 1 MPa bei einem gleich hohen Gehalt an Mullit-Fasern. Der Abfall in der Biegebruchfestigkeit war für ZrO2-Fasern jedoch schwächer ausgeprägt, sodass eine Biegebruchfestigkeit von 20 MPa nicht unterschritten wurde. Die keramischen Fasern nahmen auch einen Einfluss auf die mechanische Zuverlässigkeit der Papier-abgeleiteten Keramiken, was sich in Form eines erniedrigten Weibull- Moduls, im Vergleich zu Keramiken ohne keramische Fasern, verdeutlichte. Durch das Kalandrieren konnte die Biegebruchfestigkeit der Papier-abgeleiteten Keramiken ohne keramische Fasern dagegen etwa verdoppelt werden. Neben dem Kalandrieren, führte auch das Infiltrieren von Proben mit ethanolischen Schlickern, die keramische Füllstoffe enthielten, zu einer Verringerung der Gesamtporosität in den Papier-abgeleiteten Keramiken. Diese fiel um 20 bis 30 Vol.-% ab, wenn die Papier-abgeleitete Keramik infiltriert worden war, und um 30 bis 40 Vol.-% ab, wenn das präkeramische Papier vor der Sinterung infiltriert worden war. Schließlich konnte gezeigt werden, dass die Erzeugung von laminierten Schicht- oder Wellenstrukturen, durch die gleichmäßige Auftragung von Füllstoff-haltigen Klebern auf Acrylat-Basis auf die präkeramischen Papiere und durch eine anschließende Sinterung der verklebten Papiere, möglich ist.

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