HANDOUT. Vorlesung: Keramische Komposite. Keramische Fasern und Preformtechniken

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1 Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität des Saarlandes HANDOUT Vorlesung: Keramische Komposite Keramische Fasern und Preformtechniken Leitsatz: "Neue Werkstoffe und moderne Fertigungsverfahren eröffnen Möglichkeiten zur Herstellung neuartiger Hochleistungsstrukturen für verschiedene Anwendungsbereiche. Im folgenden soll auf zwei Bereiche eingegangen werden, die von grundlegender Bedeutung für die Herstellung von faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffen sind. Zum einen wird ein Überblick über hochtemperaturbeständige Fasern - ihre Herstellung und Eigenschaften - gegeben, und zum anderen werden textiltechnische Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe aus den Hochleistungsfasern dreidimensionale Strukturen, sogenannte Preforms erzeugt werden können." Quelle: [KO-1b, S. 23]

2 Keramische Komposite Keramische Fasern und Preformtechniken Ziele Grundlegende Zusammenhänge der Herstellungsmethoden und Eigenschaften keramischer Fasern herleiten können und ihre Bedeutung und Anwendungsbereiche zur Herstellung faserverstärkter CMCs ableiten können. ð Strukturen, Eigenschaften und Verfahren zur Herstellung anorganisch-nichtmetallischer Faser grundlegend herleiten können ð Industrielle Verfahren zur Herstellung von Faser-Preforms darstellen können ð Methoden zur Herstellung komplexer CMC-Bauteile erklären und Anwendungsbereiche aufzeigen können Inhalte Einteilung, Struktur und Eigenschaften keramischer Fasern Abgrenzung metall., polymere und anorgan.-nichtmetall. Fasern Anorganisch-nichtmetall. Fasern aus präkeramischen Vorstufen Grundlagen der Precursorkeramik und Faserherstellung Kohlenstoff-Fasern Mikrostrukturen, Eigenschaften, Herstellung Verfahren zur Herstellung von Faser-Preforms Grundlagen textiltechnischer Verfahren und Preform-Geometrien Herstellung und Anwendung komplexer CMC-Verbundwerkstoffe Reaktoren, Beispiele Mikrostrukturen, Beispiele Anwendungen

3 Lerntafel 1 Einteilung, Struktur und Eigenschaften keramischer Fasern Festigkeitssteigernde Wirkung der Faserverstärkung keramischer Werkstoffe: Einfluss der Faserstruktur (schematisch) Einteilung der verschiedenen Fasertypen [KO-1b, S. 24] Vergleich von Zugfestigkeiten und E-Moduli verschiedener anorganischnichtmetallischer Fasern

4 Bindungstypen und Bindungsenergie verschiedener Fasertypen [KO-1b, S. 26] Vergleich von Faserstrukturen und Fasereigenschaften organischer und anorganisch-nichtmtallischer Fasern Vergleich von σ ε-digrammen (Zug und Druck) metallischer, anorganischnichtmetallischer und polymerer Fasern

5 Lerntafel 2 Anorganisch-nichtmetall. Fasern aus präkeramischen Vorstufen Grundsätzlicher Verfahrensweg zur Herstellung von Glas- und Keramikfasern aus Precusorsystemen Grundbausteine wichtiger Si-O-Polymere Prozessschritte bei der Erzeugung von Precursorabgeleiteter Keramik [P. Greil et al., Adv. Eng. Mater. Vol. 2, No. 6 (2000), 339]

6 Molekulare und mikrostrukturelle Umwandlungsvorgänge während der Keramikerzeugung aus präkeramischen Polymeren Präkeramische Polymersysteme und ihre keramischen Pyrolyseprodukte Präkeramische Polymerzusammen-setzungen des Systems Si-O-C-N-B

7 Angenommene Phasen der aus präkeramischen Polymeren abgeleiteten Keramiken (BSU = basic structural units) Gewichtsverlust und Dichteänderung während der Pyrolyse Präkeramischer Polymere in interten Atmosphären Dimensions- und Porositätsänderungen während der Pyrolyse präkeramischer Polymere

8 Schema der kontrollierten Pyrolyse mit aktiven Füllstoffen zur endmaßnahen Erzeugung von Keramiken aus präkeramischen Polymeren Funktion der Füllstoffe bei der endmaßnahen Formgebung keramischer Bauteile: I: Partielle Pyrolyse mit inerten Füllstoffen; II: Reaktive Pyrolyse mit aktiven (expandierenden) Füllstoffen Mögliche MIkrostrukturen Precursor abgeleiteter Bulk-Keramiken

9 Eigenschaftsvariationen Precursor abgeleiter Keramiken Einfluss der Füllstoffkonzentration auf die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) und elektrische Leitfähigkeit polymerabge-leiteter Keramiken Formgebungsverfahren bei der Erzeugung Precursor abgeleiteter Keramiken

10 Stand der Technik zu Precursor abgeleiteten keram. Fasern Eigenschaften von Precursor abgeleiteten CMCs Trockenspinnanlage (ICF Denkendorf) [KO-1b, S. 30] (links) und Mullit-Faser Nextel 720 mit Mullit-Krisallisation ab 1300 C (rechts)

11 Kommerzielle oxidkeramische Endlosfasern [KO-1b, S. 33] Kommerzielle und prototypisch entwickelte nichtoxidkeramische Endlosfasern [KO-1b, S. 33]

12 SI-C-N-Faser aus Polycarbosilazan-Precursor (KO-1b, S. 35] Lerntafel 3 Kohlenstoff-Fasern PAN-abgeleitete Kohlenstoff-Fasern [KO-7, S ] PAN-abgeleitete Kohlenstoff-Fasern: Einfluss der Wärmebehandlung [KO-7, S. 35]

13 Zugfestigkeiten von Mesophasen-C-Fasern [KO-7, S. 41] Mikrostrukturen von Mesophasen-C-Fasern [KO-7, S. 41]

14 Vergleich der Zugfestigkeiten und E-Moduli von Teer und PAN abgeleiteten C- Fasern [KO-7, S. 43] E-Modul von C-Fasern als Funktion der Verkokungstemperatur [KO-1d, S. 37] E-Modul von C-Fasern als Funktion der Graphitebenenorientierung [KO-1d, S. 37] Modellierung zur Beeinfluss der Texturbildung in C-Fasern [KO-7, S. 45]

15 Ausbildung einer transversalen Textur in einer C- Faser [KO-7, S. 45] Grundsätzliche Verfahren zur Herstellung PAN und Teer abgeleiteter C-Fasern [KO-1b, S. 38] Herstellung PAN-abgeleiteter C-Fasern [KO-7, S. 34; KO-1d, S ]

16 Herstellung PAN-abgeleitete C-Fasern [KO-7, S. 34; KO-1d, S ] Typische polyaromatische Kohlenwasserstoffe als Mesophasen aus der Umwandlung von Petroleum- und Steinkohlepech [KO-7, S. 38 ff.] Schmelzspinn-Prozess zur Erzeugung von Mesophasen- Prekusor-Fasern aus Petroleum- und Steinkohle-Teer [KO-7, S. 40]

17 Klassifizierung von Kohlenstoff-Fasern nach [KO-1b, S. 39] Lerntafel 4 Verfahren zur Herstellung von Faser-Preforms Konventionelles Mehrshichtwebverfahren zur Erzegung von 3D-Geweben Weben mit 3-Fadensystemen: Orthogonale Gewebe [KO-1b, S. 42]

18 Spezialwebverfahren: Sphärische Gewebe [KO-1b, S. 43] Spezialwebverfahren: Sphärische Gewebe [KO-1b, S. 44] Horizontales Spinnen: Überflechten eines Kerns [KO-1b, S. 45]

19 Kartesische 3D-Flechtmaschine: Geflochtene Profile [KO-1b, S. 46] 3D-Gewirke durch Stegverbindungen [KO-1b, S.46] Lerntafel 5 Herstellung und Anwendung komplexer CMC- Verbundwerkstoffe Grundsätzliche Prozessstufen bei der Herstellung keramsicher CMCs

20 Kaltwand-CVD-Reaktoren: Vertikalanordnung Kaltwand-CVD-Reaktoren: Horizontalanordnung Ummantelung von C-Fasern

21 Mikrostrukturen von CMCs: Beispiele CMC-Materialentwicklungen (schematisch) Anwendungsbeispiele CMC-Bauteile