Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4094
Mentz, Juliane
Neuartiges Herstellungsverfahren für kohlenstofffaserverstärktes Siliziumcarbid mit faserdominiertem Verhalten
VI, 147 S., 2003
Für einen Einsatz von Keramiken als Strukturwerkstoff ist eine Steigerung der Schadenstoleranz
unabdingbar. Dies kann durch eine Faserverstärkung erreicht werden. In dieser Arbeit
wird einer der wichtigsten Vertreter der faserverstärkten Keramiken - kohlenstofffaserverstärktes
Siliziumcarbid (C/SiC) - behandelt.
Die Flüssigsilizierung ist ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von C/SiC, bei dem ein
poröser Körper aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) mit flüssigem Silizium
(von außen) infiltriert wird und dieses hauptsächlich mit dem Matrix-Kohlenstoff zu Siliziumcarbid
reagieren soll . Tatsächlich findet aber auch eine Reaktion mit den Kohlenstofffasern
statt, die dann maßgeblich geschädigt werden. Daher wird in der Regel ein hoher
Rest-Kohlenstoffgehalt in der Matrix eingestellt (sogenanntes C/C-SiC), so dass eine genügend
große Schadenstoleranz gewährleistet ist.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuen bzw. modifizierten Herstellungsverfahrens
auf Grundlage der Flüssigsilizierung . Dabei sollte hauptsächlich der Nachteil des Faserangriffs
auch bei vollständig umgesetzter Siliziumcarbid-Matrix vermieden werden,
ohne die Vorteile eines preiswerten und einfachen Verfahrens zu verlieren . In der entwickelten
Herstellungsroute wird das pulverförmige Silizium zu Beginn fein verteilt in die
Matrix gegeben, so dass es an Ort und Stelle mit dem umgebenden Matrix-Kohlenstoff zu
Siliziumcarbid reagieren kann. Dadurch wird die Reaktion im Wesentlichen auf die Matrix
beschränkt und der Faserangriff minimiert. Es entsteht eine homogene hochporöse Matrix
mit kleinen Porenradien. Das Auftreten von freiem Silizium wird im Gegensatz zur Flüssigsilizierung
vermieden.
Durch die hochporöse Matrix liegt ein faserdominiertes Material vor - eine bisher wenig
untersuchte Gruppe der faserverstärkten Keramiken. Sowohl Steifigkeit als auch Festigkeit
sind durch die Fasern bestimmt. Das Ziel der Aktivierung von Mechanismen, die ein schadenstolerantes
Versagensverhalten hervorrufen, wird erreicht. Die Eigenschaften des hier
entwickelten C/SiC-Werkstoffs kommen den Leistungswerten von flüssigsiliziertem Material
mit hohem Kohlenstoffanteil (C/C-SiC) auch bei vollständiger Matrixumsetzung zu
SiC gleich. Sie bleiben lediglich hinter den hochwertigsten und teuersten kommerziellen
Hochleistungsmaterialien mit konventionellem grenzflächendominierten Verhalten (geringe
Faser-Matrix-Haftung durch Faserbeschichtungen) zurück . Aufwand und Kosten des
neuen Verfahrens werden zur Flüssigsilizierung als vergleichbar angesehen, so dass das
Material - bei einem abweichenden Eigenschaftsspektrum - ebenfalls an eine Einführung
als industrieller Strukturwerkstoff außerhalb der Luft- und Raumfahrt heran kommt.
In order to use ceramics as structural materials their damage tolerance must be increased,
which can be achieved by fiber reinforcement . This thesis deals with one of the most important
representatives of these fiber-reinforced ceramics - carbon-fiber-reinforced silicon
carbide (C/SiC).
Liquid silicon infiltration is an established process for manufacturing C/SiC. A porous substrate
of carbon-fiber-reinforced carbon (C/C) is infiltrated by liquid silicon, which should
react mainly with the carbon material of the matrix to form silicon carbide. In fact, it also
reacts with the carbon fibers, which thus are decisively affected. Therefore, a high content
of residual carbon within the matrix is generally included (so-called C/C-SiC) to ensure
sufficiently high damage tolerance.
The objective of this thesis was the development of a new or modified processing route
based on liquid silicon infiltration . In doing so, primarily the drawback of fiber attack was
to be avoided even though the matrix is completely changed into silicon carbide while retaining
the advantages of an inexpensive and simple processing route. In the manufacturing
method developed, the silicon is added at the outset, uniformly distributed within the matrix.
Thus it can react in situ with the surrounding carbon of the matrix to form silicon carbide.
The reaction is essentially limited to the matrix and the fiber attack is minimized. A
uniform and highly porous matrix is formed with small pore radii. In contrast to liquid silicon
infiltration, there is no remaining free silicon .
The highly porous matrix effects that a fiber-dominated material is obtained - a group of
fiber-reinforced ceramics that has been little analyzed as yet. Stiffness as well as strength is
determined by the fibers. The aim of activating mechanisms to attain a damage-tolerant
fracture behavior is achieved. The properties of the C/SiC material developed here equal
the performance data of liquid-silicon-infiltrated material with a high content of carbon
within the matrix (C/C-SiC), even if the matrix is completely converted into silicon carbide.
They only lag behind high-quality and expensive commercial high-performance materials
with the more conventional weak fiber-matrix interface due to fiber coatings . The
efforts and costs involved in the new process are regarded as comparable to liquid silicon
infiltration. Thus the material - with a différent spectrum of properties - is close to introduction
as an industrial structural material apart from aerospace applications.
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