Intelligentes Design von C/SiC-Verbundwerkstoffen zur Verbesserung des nichtlinear-elastischen Schädigungsverhaltens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dietmar Koch
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545506280

Keramische Faserverbundwerkstoffe aus kohlenstofffaserverstärktem Siliciumcarbid (C/SiC) sind Hochleistungswerkstoffe, die extremen thermischen und mechanischen Bedingungen standhalten und in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie der Industrie eingesetzt werden. Zur Herstellung kann das LSI-Verfahren (Liquid Silicon Infiltration) eingesetzt werden, welches neuer und weniger gut erforscht ist als das bekanntere CVI-Verfahren (Chemical Vapor Infiltration). Der LSI Prozess führt im Vergleich zu CVI zu kürzeren Herstellzeiten und einer fast vollständigen Verdichtung des Materials, was bessere Oxidationsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit aber geringere mechanische Performance zur Folge hat. Ziel ist es, die Proportionalitätsgrenze sowie die Zähigkeit dieser Verbundwerkstoffe durch ein ausgedehnteres nicht-lineares Verhalten zu verbessern (d. h. einer messbaren Dehnungsenergie vor dem Bruch). Die Eigenschaften sollen bei hohen Temperaturen (HT) erhalten bleiben. Weiterhin werden die Prozess-Eigenschafts-Beziehungen untersucht. Die gezielte Herstellung soll ermöglichen, C/SiC-Verbundwerkstoffe mit verbessertem mechanischem Verhalten zu generieren. Zunächst erfolgt die Prozessierung mit verschiedenen Parametern: verschiedene Faser-Preform-Architekturen, Faser/Matrix- und Bündel/Matrix-Verbindungen, Verwendung von LSI oder einer Mischung aus CVI und LSI, Matrixgehalt zwischen den Bündeln (d.h. Restsilizium- und Kohlenstoffgehalt). Anschließend werden mechanische Prüfungen bei RT und HT durchgeführt. Die Materialien werden in-situ und nachgelagert auf der Mikro-, Meso- und Makro-ebene, mit bruchmechanischen Tests, charakterisiert. Es resultiert ein gutes Verständnis des mechanischen Werkstoffverhaltens in Bezug auf die Entwicklung von Mikrorissbildung/Debonding sowie auf die Lokalisierung der Schädigungen. Zusätzlich werden die aus dem Herstellprozess resultierende Rissentwicklung und die Eigenspannungen untersucht. Dieses Projekt wird durch Modellierungsaktivitäten unterstützt. Eine erste Aufgabe, die für die Erhöhung der Proportionalitätsgrenze entscheidend ist, ist die Berechnung der thermischen Eigenspannungen, aus dem Verarbeitungsschritt. Dies erfordert ein entsprechendes Modell und genaue Kennwerte der Bestandteile. Die zweite Aufgabe ist die Erstellung eines quantitativen Kriteriums für das Einsetzen der Schädigung, inklusive dem Einfluss der verschiedenen untersuchten mikrostrukturellen und physikalischen Parameter. Das Forschungsthema ist für Unternehmen auf deutscher und französischer Seite von Interesse, z.B. Safran (SiC/BN/SiC-Verbundwerkstoffe von RMI) und CEA (C/SiC- und C/C/SiC-Verbundwerkstoffe) beide Partner des LCTS. Weitere Unternehmen sind interessiert, z.B. MBDA für Hyperschallanwendungen, Ariane für Raumfahrtstrukturen, SGL/Brembo für Bremssysteme oder Schunk für die Schwerindustrie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Gérard Louis Vignoles, Ph.D.