Untersuchung der Korrelation von Dämpfungseigenschaften mit dem Versagensverhalten von C/C und C/C-SiC Faserkeramiken abhängig vom chemischen Zustand der eingesetzten Matrixpolymere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war es, den Zusammenhang zwischen den Dämpfungseigenschaften und dem Versagensverhalten von C/C- und C/C-SiC-Verbunden zu untersuchen. Zudem sollte der Einfluss der Phenolharzchemie auf die Verbundeigenschaften offengelegt werden. Die Ergebnisse des Projektes belegen, dass der chemische Zustand der eingesetzten Phenolharze die Strukturausbildung über alle Fertigungsstufen (CFK, C/C, C/C-SiC) entscheidend beeinflusst. Die selbst hergestellten Resole erzeugen im Vergleich zum kommerziellen Vergleichsresol stark poröse CFK- und C/C-Verbunde. Insbesondere im C/C-Verbund liegt eine schaumartige, aber sehr gleichmäßig verteilte Matrixstruktur vor. Die erhöhte Matrixporosität kann durch die im CFK-Zustand vorliegenden Brücken zwischen den Monomeren, die zu einer erhöhten Menge an Abbauprodukten während der Pyrolyse führen, erklärt werden. Die Siliziuminfiltration wird von der vorliegenden Matrixporosität im C/C-Verbund stark beeinflusst. Bei den C/C-SiC-Verbunden aus den selbst hergestellten Resolen wurde die Kohlenstoffmatrix fast vollständig zu Siliziumcarbid umgesetzt. Die Fasern wurden dadurch stark geschädigt. Verbunde mit sprödem Versagensverhalten sind das Ergebnis. Die Verbünde aus dem kommerziellen Vergleichsresol weisen dahingegen die gewünschte Mikrostruktur auf. Höhere Biegefestigkeiten und sukzessives Versagen werden hier erreicht. Dämpfungsunterschiede in Abhängigkeit der Matrixpolymere sind erst im C/C-SiC-Zustand messbar. Verbunde, die ein sukzessives Versagen aufweisen, haben gegenüber den Verbunden mit sprödem Versagen einen signifikant erhöhten Verlustfaktor. Dies kann durch den Anteil der Faserschädigung erklärt werden. Bei den Verbunden mit sprödem Versagen ist die Faserschädigung stark erhöht. Durch die Grenzflächenreaktion mit Silizium wird eine hohe Faser/Matrix-Bindung eingestellt. Faserdebonding und Grenzflächenreibung wird während der dynamischen Belastung verhindert. Dadurch wird weniger Energie dissipiert. Durch den hohen Versuchsumfang des Projektes wurden nur wenige Phenolharzvarianten synthetisiert. Nachteilig war, dass alle selbst hergestellten Phenolharze eine sehr große Matrixporosität (C/C-Zustand) aufweisen, die für die nachfolgende Siliziuminfiltration ungünstig ist. Eine fast vollständige Umsetzung der Matrix zu Siliziumcarbid trat ein. Um zukünftig die Matrixporosität im C/C-Zustand in einem breiten Bereich zu steuern, damit die Siliziuminfiltrationstiefe definiert eingestellt werden kann, ist es wichtig die Grundlagenuntersuchungen weiterzuführen. Die im Projekt gewonnen Kenntnisse stellen eine gute Basis dafür dar. Diese Phenolharzweiterentwicklungen könnten zukünftig für die Herstellung von gradierten C/C-SiC-Verbunden interessant sein. Besonderes bei Verschleißanwendungen ist es wichtig, an der Oberfläche des Bauteils einen höheren Siliziumcarbidanteil einzustellen als im Kern. Die im Rahmen des Projekts synthetisierten Harze sind für die Herstellung von CMCs mit vollständiger Siliziumcarbidmatrix geeignet. Dadurch kann eine höhere Oxidationsbeständigkeit gegenüber den Kohlenstoff/Siliziumcarbid-Dualmatrixverbunden erzielt werden. Um eine entsprechende Bruchzähigkeit der Verbunde einzustellen, ist die Entwicklung einer geeigneten Faserbeschichtung notwendig. Durch das Projekt konnte ein Zusammenhang zwischen den Dämpfungseigenschaften, den energiedissipativen Mechanismen und dem Versagensverhalten an Hand der hergestellten C/C-SiC-Verbunde nachgewiesen werden. Zukünftige Untersuchungen könnten auch auf andere Vertreter von langfaserverstärkten Keramiken sowie auf partikelverstärkte, whiskerverstärkte und kurzfaserverstärkte Keramiken ausgedehnt werden. Auch zur Charakterisierung von MMCs (Metal Matrix Composites), wo Sprödphasen an der Fasergrenzfläche zu ungünstigen mechanischen Eigenschaften führen, könnte eine Charakterisierung mittels der dynamisch-mechanisch-thermischen Analyse (DMTA) interessant sein. Zur entsprechenden Venwertung der Ergebnisse ist ein weiterer Forschungsaufwand notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Correlation of morphology and properties of CFRPs. IN: Wielage, B. (Hrsg.): Tagungsband zum 11. Werkstofftechnischen Kolloquium (Chemnitz, 2008). Chemnitz : Eigenverlag, S. 297-301
Wielage, B.; Kim, Y. E.
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Influence of Fabric Parameters on Microstructure, Mechanical Properties and Failure Mechanisms in Carbon-Fibre Reinforced Composites. In: Journal of Materials Science and Technology 24 (2008), Nr. 6, S. 953-959
Wielage, B.; Richter, D.; Mucha, H.; Lampke, T.
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Untersuchungen zur Entstehung von Porosität in Phenolharzmatrices bei der Härtung. In: Krenkel, W. (Hrsg.): Verbundwerkstoffe (17. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Bayreuth, Deutschland, 2009). Weinheim : Wiley-VCH, 2009, S. 226-232
Mucha, H.; Kim, Y.-E.; Kuroda, K.; Krenkel, W.; Wielage, B.
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Thermo-mechanical Monitoring of Composite Materials during the Pyrolysis of C/C Composites. In: Key Engineering Materials 425 (2010), S. 95-105
Wielage, B.; Weber, D.; Müller, T.
