Servicenavigation

Project Details

Back

Projekt Print View

New class of funCtionAl silicon caRBOnitride-based ceramic FIBErs from oRganometal compound-modified polySilazanes

Applicant Dr. Günter Motz
Subject Area Glass, Ceramics and Derived Composites
Synthesis and Properties of Functional Materials
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Term from 2015 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 284004736
 
Final Report Year 2021

Final Report Abstract

Die Zusammenarbeit zwischen der Universität Limoges und der Universität Bayreuth hat zur erfolgreichen Entwicklung neuartiger, funktioneller Keramikfasern geführt. Die gute Oxidationsbeständigkeit sowie die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Fasern erlauben auch den Einsatz in Strukturkeramiken. Als Precursor wurde ein speziell für die Faserherstellung synthetisiertes, maßgeschneiderten Polysilazan verwendet, das durch die Modifizierung mit Eisen über den Schmelz-Spinn-Prozess, Härtung und abschließender Pyrolyse zu magnetischen Fe@SiCN Keramikfasern führte. Für die Synthese des eisenhaltigen Polymers wurden zunächst zwei Konzepte erforscht. Da die chemische Modifizierung eines verspinnbaren Polymers üblicherweise die Spinneigenschaften stark verändert, beruhte die erste Strategie auf der Mischung eines chemisch inerten Eisenkomplexes mit einem spinnbaren Polysilazan, dessen Synthese in der bayreuther Arbeitsgruppe in den letzten Jahren entwickelt wurde. Hierbei werden kommerzielle, flüssige Oligosilazane durch eine einfache, mittels Tetrabutylammoniumfluorid katalysierte Reaktion polymerisiert. Die so erhaltene Mischung ließ sich gut verspinnen und härten. Allerdings waren bereits in den Polymerfasern eisenhaltige Agglomerate nachweisbar, die nach der Pyrolyse zu einer sehr inhomogenen Keramikfaser mit sehr schlechten mechanischen Eigenschaften führten. Um die zu den Agglomeraten führenden Entmischungseffekte zu vermeiden, war es notwendig eine zweite Strategie zu entwickeln, bei der die eisenhaltigen Komplexverbindungen chemisch an das Silazangerüst angebunden werden, ohne dass es zu Quervernetzungen kommt. Diese würden den Vernetzungsgrad des Polymers unkontrollierbar erhöhen, was wiederum sehr problematisch für das Schmelz-Spinnen ist. Daher wurde ein Eisenkomplex synthetisiert, der nur eine reaktive Gruppe zur chemischen Anbindung an das Silazangerüst enthält, so dass Quervernetzungen weitestgehend ausgeschlossen werden können. Auf diese Art und Weise konnten bis zu 2 mol% Eisen in den Precursor eingebaut werden, ohne die Rheologie der Polymerschmelzen bis zur Spinntemperatur von 115 °C negativ zu beeinflussen. Somit war es möglich, kontinuierlich und reproduzierbar Fe-modifizierte Polysilazangrünfasern über das Schmelz-Spinnen herzustellen, die sich gut in den folgenden Prozessschritten verarbeiten ließen. Die Modifizierung des Polysilazans mit dem Eisenkomplex führte zu einer erhöhten Luftempfindlichkeit des Precursors, die aber eine schnelle Härtung der Fasern in Luft ermöglichte. Die Pyrolyse bei 1000 °C in Stickstoffatmosphäre führte in guter keramischer Ausbeute von 83 % zu eisenhaltigen, keramischen SiCN Fasern. Die Mikrostruktur der Fasern besteht aus nanoskaligen Eisensilizidpartikeln (<10 nm), die in einer amorphen SiCN Matrix homogen verteilt sind. Diese in-situ erzeugten Nanopartikel sind klein genug, damit die Fasern ein superparamagnetisches Verhalten bei Raumtemperatur zeigen. Des Weiteren weisen die funktionellen Keramikfasern eine gute Zugfestigkeit von 1,24 GPa (Faserdurchmesser 30 bis 40 µm) sowie eine ausreichende Oxidationsbeständigkeit bis 1000 °C in Luft auf. Somit konnten im Rahmen dieses Projektes erstmals Keramikfasern hergestellt werden, die neben den üblichen Eigenschaften noch über eine superparamagnetische Funktionalität verfügen. Derartige Fasern eignen sich für die Entwicklung der nächsten Generation von Faserverbundwerkstoffe, in denen funktionelle Eigenschaften, wie zum Beispiel magnetische Abschirmung oder Defektdetektion integriert sind. Diese Funktionalität wurde im Rahmen des Projektes an einem faserverstärkten Kunststoff demonstriert, aus dem die eisenmodifizierten Faserbestandteile nach dem Zerkleinern mittels Magnet entfernt wurden. Die in diesem Projekt entwickelte Strategie zur chemischen Modifizierung von Polysilazanen lässt sich für zahlreiche andere chemische Elemente (insbesondere Metalle) anwenden. Während der sich anschließenden Pyrolyse könnten so gezielt neue, funktionelle Phasen erzeugt werden, um Keramiken mit speziellen Eigenschaften zu realisieren. Im Fall von Keramikfasern wären das beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit,verschiedene katalytische Aktivitäten, bessere mechanische Eigenschaften oder eine höhere Oxidationsbeständigkeit.

Publications

 
 

Additional Information

© 2024 DFG Disclaimer / Copyright / Privacy Policy

Textvergrößerung und Kontrastanpassung