Mikrostrukturdesign, Herstellung und Oxidations-/Ablationsverhalten neuartiger C/C-Composite modifiziert durch polymerabgeleitete ultrahoch-temperaturstabile Keramiken
Beschichtungs- und Oberflächentechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wird die Modifizierung von Polymeren auf Si-Basis mit Übergangsmetallen untersucht, um ein präkeramisches Polymer zu erhalten, das zur Beschichtung oder Matrixmodifizierung von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen verwendet werden kann. Keramiken auf Si-Basis werden als Schutzschichten für Kohlenstofffasern in oxidativen Umgebungen verwendet. Die modifizierten, von Polymeren abgeleiteten Keramiken werden daher konsolidiert und für Oxidationstests verwendet. Im Rahmen dieses Projekts wurden zwei präkeramische Polymere (Durazane 1800 und SMP-10) erfolgreich mit Tetrakis(diethylamido)hafnium(IV) (TDEAH), Tetrakis(dimethylamido)titan(IV) (TDMAT) sowie geringen Mengen von Boran-Dimethylsulfid-Komplex (BMS) modifiziert. Die Modifizierung erfolgt durch die Reaktion der Übergangsmetall-Amidokomplexe mit den Si-H-Gruppen und durch Hydroborierungsreaktionen der Allylgruppen bei der Zugabe von Bor. Das Vernetzungs- und Hochtemperaturverhalten der modifizierten präkeramischen Polymere wird mittels FTIR, XRD, SEM und Raman-Spektroskopie untersucht. Das Tempern von Si(Hf,Ti)CN-Proben (modifiziertes Durazane 1800) bei Temperaturen über 1700 °C führt zum Verbrauch von Kohlenstoff durch eine carbothermische Reaktion. Bei SiHfTiC(N) (modifiziertes SMP-10) wandelt sich der freie Kohlenstoff beim Glühen bei höheren Temperaturen von amorphem zu ungeordnetem / turbostratischem Kohlenstoff um. Darüber hinaus kristallisieren die amorphen Keramikpulver bei höheren Temperaturen, und es kommt zu einer Phasentrennung in SiC und Übergangsmetallkarbide. Die Keramikpulver wurden durch SPS konsolidiert. Keramische Monolithe auf Basis von modifiziertem Durazane 1800 zeigten eine inhomogene Mikrostruktur und wurden daher nicht für weitere Oxidationsexperimente ausgewählt. Sechs keramische Monolithe auf Basis von SMP-10 mit unterschiedlichen Zusammensetzungen wurden für Oxidationsexperimente verwendet. Die beste Oxidationsbeständigkeit wiesen die SiC/(Hf0.5Ti0.5)C/C und SiC/(Hf0.5Ti0.5)C/(B)C Nanokomposite bei 1200 und 1400 °C auf. Eine schützende Oxidschicht, die aus verschiedenen vorteilhaften Oxiden wie SiO2 und HfSiO4 besteht, verhindert eine weitere Oxidation der keramischen Proben. Außerdem wurden 2.5 D C/C-Verbundwerkstoffe für ein Polymerinfiltrationsund Pyrolyseverfahren (PIP) verwendet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Phase evolution and oxidation resistance of Si3N4/HfB2/HfB C N1–– ceramic nanocomposites prepared from tailored preceramic polymers. Ceramics International, 49(21), 34164-34172.
Li, Wei; Widenmeyer, Marc; Ding, Jinxue; Jiang, Tianshu; Feldmann, Laura; Liu, Jiongjie; Molina-Luna, Leopoldo; Weidenkaff, Anke; Riedel, Ralf & Yu, Zhaoju
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Materials design of silicon based ceramic coatings for high temperature oxidation protection. Materials Science and Engineering: R: Reports, 163, 100936.
Liu, Bing; Sun, Jia; Guo, Lingxiang; Shi, Huilun; Feng, Guanghui; Feldmann, Laura; Yin, Xuemin; Riedel, Ralf; Fu, Qiangang & Li, Hejun
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Oxidation behavior of monolithic boron containing SiC/(Hf0.5Ti0.5)C/C composites consolidated by SPS. Journal of the European Ceramic Society, 45(15), 117607.
Feldmann, Laura; Zhang, Yuyu; Zhang, Xuemeng; Sun, Jia & Riedel, Ralf
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Ablation behavior of Hf-Zr-modified silicon-based ceramic coatings prepared by polymer derived ceramics and gaseous silicon infiltration. Chinese Journal of Aeronautics, 39(5), 104010.
GUO, Lingxiang; DONG, Yaojun; WANG, Yuqi; HUANG, Shiwei; FELDMANN, Laura; RIEDEL, Ralf & SUN, Jia
