Materials Engineering

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CMC Processing

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Koch
Lehrstuhlinhaber
Materials Engineering
  • Telefon: +49 821 598-69220
  • E-Mail:
  • Raum 3013 (Gebäude W)
Kontakt (.vcf)

Forschung

Zur Herstellung von nicht-oxidischen faserverstärkten Keramiken (Ceramic Matrix Composites – CMC) mit Siliziumcarbid (SiC)-Matrix wird häufig die Methode der „Liquid Silicon Infiltration (LSI)“ eingesetzt. Hierbei wird eine Polymermatrix thermisch vernetzt und pyrolysiert. Die resultierende Kohlenstoffmatrix wird dann mit flüssigem Silizium infiltriert, welches mit dem Kohlenstoff zu SiC reagiert. Es ergibt sich eine inhomogene Matrix mit geringer Restporosität, welche SiC, Kohlenstoff und freies Silizium enthalten kann. Eine Optimierung der Phasenzusammensetzung der Matrix kann das Versagensverhalten, die elastischen Kennwerte und die Hochtemperaturbeständigkeit unter aggressiver Atmosphäre verbessern. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der LSI-Prozessierung ist der Schutz der Verstärkungsfasern, z.B. SiC- oder Carbonfasern, gegen die Reaktion mit dem flüssigen Silizium, um eine Degradation ihrer mechanischen Eigenschaften zu vermeiden.

Die Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe „CMC-Processing“ zielen auf eine Verbesserung der Prozessführung im LSI-Prozess. So soll in SiC/SiC-Materialien der Restkohlenstoffgehalt der Matrix reduziert werden, um die Stabilität des Materials bei hohen Temperaturen unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre zu verbessern. Eine Anpassung des Matrixpolymers ist hier vielversprechend, um eine gleichmäßige Infiltration des Kohlenstoffs mit Silizium zu ermöglichen. Zudem sollen die SiC-Verstärkungsfasern gegen den Angriff des Siliziums geschützt werden, z.B. durch eine schonendere Prozessierung bei reduzierten Temperaturen. In C/C-SiC-Materialien ist zum Schutz der Kohlenstofffasern eine Optimierung der Rissstruktur der Kohlenstoffmatrix von Interesse. Ein wichtiges Forschungsfeld ist auch der Einsatz alternativer C-reicher Precursoren und recycelter Rohstoffe, um den LSI-Herstellprozess nachhaltiger zu gestalten.
Zum Aufbau eines umfassenden Prozessverständnisses wird ein Online-Monitoring der Material- und Prozesseigenschaften während des Carbonisierungs- und Silizierungsprozesses in einem mit Sensorik ausgestattetem Hochtemperaturofen durchgeführt.
 
Faserverstärkte C/C-SiC-Keramik aus LSI-Prozess. © Universität Augsburg
Die Arbeitsgruppe „CMC-Processing“ beschäftigt sich zudem mit der Weiterentwicklung der Preformtechnologie. Mittels der Methode des „Fiber Patch Placement” werden Faserpreforms mit komplexer Geometrie aus Zuschnitten trockener Faser-Halbzeuge oder von Prepreg-Materialien aufgebaut. Die Preforms werden im Anschluss mittels des LSI-Verfahrens zu faserverstärkten Keramiken weiterverarbeitet.
Die Einsatzgebiete von CMC-Materialien umfassen hohe Temperaturen bis 1600°C und aggressive Atmosphären. Daher werden die hergestellten faserverstärkten Keramiken auch unter entsprechenden Bedingungen materialwissenschaftlich geprüft. Hierbei ist insbesondere die mechanische Prüfung bei hohen Temperaturen von Interesse, welche durch die Arbeitsgruppe aktuell aufgebaut wird.
 

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