Potentialunterstützte Herstellung von Faserverbundwerkstoffen

Stoll, Erick GND

Abstract The development of continuous fibre reinforced oxide/oxide-ceramic matrix composite has increased in the last years due to their degradation resistance in oxidation environments and their outstanding thermo-mechanical properties. Their application is of interest for example in components for combustions chambers, heat exchangers or in the aerospace industry. The very difficult and expensive manufacturing of ceramic matrix composites reinforced with multi-fibre layers justifies the application of the electrophoretic infiltration technique (EPI) to produce the matrix. The materials used in this work for EPI experiments are Nextel(TM) 720 fibre mats as reinforcement and alpha-Al2O3 powder as matrix. The obtained results of application of the electrophoretic deposition method are described and interpreted for this material combination. The principal part of this work describes the mechanism of the electrophoretic deposition (EPD). A subsequent section explains in a proposed hypothesis the behaviour of the system alpha-Al2O3/Nextel(TM) 720. This model was verified by the experimental results. Moreover two techniques, based on the EPI, are described. They are called lamination method and simultaneous multilayer infiltration method. The results of the simultaneous multilayer infiltration method show a completely filling of matrix powder into six fibre mats obtained in one EPI step. For this reason it is confirmed that the method is much more convenient than the conventional slurry infiltration to produce multilayer ceramic matrix composites. The sintered composite samples exhibit a fibre volume fraction of 45 % and a porosity of approx. of 30 %. The fabricated ceramic matrix composite samples showed pseudo-ductile fracture behaviour and exhibit a weak bonding at the interface between fibres and matrix.

Die Entwicklung von langfaserverstärkten Oxid/Oxid-Verbundwerkstoffen hat in den letzten Jahren wegen der Oxidationsbeständigkeit und der guten thermomechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe stark zugenommen. So sind sie bspw. für Bauteile in Brennkammern, Wärmetäuschern oder in der Luft- und Raumfahrt von Interesse. Die schwierige und teure Fabrikation von Verbundwerkstoffen mit mehreren Gewebelagen begründet die Anwendung des elektrophoretischen Infiltrationsverfahrens (EPI) zur Herstellung der Matrix. Bei dem EPI-Verfahren wurden Fasergewebe Nextel(TM) 720 als Verstärkungsmaterial und alpha-Al2O3 als Matrixmaterial verwendet. Die Ergebnisse der elektrophoretischen Infiltration werden speziell für diese Materialkombination dargestellt und interpretiert. Der Hauptteil dieser Arbeit widmet sich den Reaktionsabläufen bei der elektrophoretischen Infiltration. Diesbezüglich wurde für das System alpha- Al2O3/Nextel(TM) 720 eine Arbeitshypothese aufgestellt und diese experimentell untersetzt. Darüber hinaus wurden zwei Techniken, die auf der EPI-Technik basieren, entwickelt und erprobt. Sie werden in dieser Arbeit als Laminationsverfahren und Mehrlageninfiltrationsverfahren bezeichnet. Die Ergebnisse zeigen, dass beim Mehrlageninfiltrationsverfahren die simultane elektrophoretische Infiltration eine vollständige Ausfüllung der Fasernzwischenräume mit Matrixpartikeln für bis zu sechs Gewebelagen ermöglicht. Damit ist dieses Verfahren der bekannten Schlickertechnik deutlich überlegen. Die im Labor hergestellten Sinterproben haben einen Faseranteil von 45 % und eine Porosität von ca. 30 %. Sie zeigen das typische quasiduktile Bruchverhalten für keramische Verbundwerkstoffe mit einer schwachen Faser-Matrix-Bindung.

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Stoll, Erick: Potentialunterstützte Herstellung von Faserverbundwerkstoffen. 2007.

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