Hochsteife und hochfeste C/C-SiC Faserverbundkeramiken durch gezielte Grenzflächeneinstellung mittels angepasster Faserausrüstungen und Matrixprecursoren - Kerafam 2

• Antragsteller: Professor Dr. Michael R. Buchmeiser; Professor Dr. Siegfried Rüdiger Horn; Professor Dr.-Ing. Dietmar Koch
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277680365

Ziel des Projekts KeraFaM 2 ist es, auf Basis des erzielten Wissensstands die mechanischen Eigenschaften der C/C-SiC Werkstoffe den theoretisch möglichen Werten von Standard- und Hochleistungs-C-fasern weiter anzunähern.Bisher wurden folgende Erkenntnisse gewonnen:•Der Schutz der Fasern vor der Konvertierung vor Silizierung kann durch gezielte Einstellung der Faser-Matrix-Bindung (FMB) mittels Faservorbehandlungen erreicht werden. Dies verhindert Faser-Matrix-Delaminationen (FMD) und führt zur Bildung von Segmentierungsrissen (SR) in den Faserbündeln und dichten C/C-Blockstrukturen. Die mechanischen Kennwerte der C/C-SiC Werkstoffe liegen unter den theoretisch möglichen. Als Grund für den geringen Faserausnutzungsgrad wird ein durch die C/C-Blockstruktur begünstigter Faserbündelpullout angesehen.•Die nach der Carbonisierung in den Proben vorliegende Rissstruktur entsteht nicht erst bei der Pyrolyse. Vorstufen bilden sich ab der Härtung.•Die Auswahl des Matrixharzes hat Einfluss auf die Mikrostrukturbildung. Wesentlicher Unterschied der Harze ist der Phenol- und Lösemittelgehalt.•Die verwendeten Ultra High Modulus (UHM) Fasern können aufgrund ihrer Sprödheit nach dem Entschlichten bisher nicht weiterprozessiert werden.•Die Bildung der Mikrorisse während der Pyrolyse aufgrund unterschiedlicher FMB kann mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) modelliert werden.Im Projekt hat sich die Kooperation zwischen der Arbeitsgruppe keramische Verbundstrukturen des DLR in Stuttgart, dem DITF in Denkendorf und des Lehrstuhls für Experimentalphysik 2 der Universität Augsburg bewährt. Darauf basierend sollen in KeraFaM 2 folgende Ziele verfolgt werden:•Substrukturierung der C/C-Blöcke soll den Faserausnutzungsgrad erhöhen. Dies soll durch einen mehrlagigen Schlichteaufbau mit definierter Einstellung der FMB erreicht werden, der gleichzeitig eine Konvertierung der Fasern zu SiC verhindern soll. In einem zweiten Ansatz soll eine mikroporöse C-Matrix erzeugt werden. Beide Ansätze führen bei Erfolg zu einer Begünstigung des Einzelfaserpullouts gegenüber dem Faserbündelpullout.•Für eine bessere Kontrolle der für die Eigenschaften des C/C-SiC Komposits relevanten Mikrostruktur soll deren Entstehungsprozess bereits ab der Aushärtung des Matrixharzes mittels Analyse der Vernetzungsreaktionen, in situ Schallemissionsanalyse und nano-CT untersucht werden.•Das FE-Modell soll durch die Integration der experimentell bestimmten Werkstoffparameter weiterentwickelt werden, um die Mikrostrukturentwicklung in Abhängigkeit der FMB realitätsnah abbilden zu können. Das resultierende Modell soll mittels Schallemissionsanalyse und REM validiert werden.•Der Einfluss des Phenolgehalts der Matrixharze auf Kohlenstoffrestmasse, Schrumpf und Mikrostruktur soll durch Zugabe aromatischer Verbindungen ermittelt werden.•Durch das Aufbringen einer Schlichte über der as-received Schlichte sollen die UHM Fasern angepasst werden, um einen Schutz vor Konvertierung zu SiC zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen