Danksagung ...................................................... 3
Nomenklatur ..................................................... 8
Übersicht ...................................................... 12
Abstract ....................................................... 13
1 Einleitung und Zielsetzung .................................. 15
2 Grundlagen .................................................. 19
2.1 Grundlagen keramischer Faserverbundwerkstoffe .......... 19
2.1.1 Einteilung keramischer Faserverbundwerkstoffe ... 20
2.1.2 Bruchmechanik ................................... 22
2.1.3 Fasern .......................................... 25
2.1.3.1 Einteilung von Fasern .................. 26
2.1.3.2 Keramische Fasern auf der Basis von
SiC .................................... 27
2.1.3.3 Fasern im quaternären System
Si-B-C-N ............................... 27
2.1.4 Matrices ........................................ 31
2.1.5 Faser/Matrix-Interphase ......................... 32
2.1.5.1 Lanthanphosphat ........................ 34
2.1.5.2 Mehrfachbeschichtungen ................. 37
2.1.6 Oxidation von Kohlenstoff und Si-haltigen
Keramiken ....................................... 38
2.2 Herstellungsverfahren faserverstärkter Keramiken ....... 40
2.2.1 Gasphaseninfiltration ........................... 41
2.2.2 Flüssigphasensilicierung ........................ 43
2.2.3 Polymer Infiltration und Pyrolyse ............... 45
2.2.4 Slurry Infiltration and High Pressure
Sintering ....................................... 46
2.2.5 Prepreg MI- und Slurry Cast MI-Verfahren ........ 47
2.2.6 Kombi-Verfahren ................................. 48
2.3 Eigenschaften SiC-faserverstärkter keramischer
Verbundwerkstoffe ...................................... 48
2.4 Anwendungsgebiete für SiC-faserverstärkte
keramische Verbundwerkstoffe ........................... 51
2.5 Präzisierung der Aufgabenstellung ...................... 53
3 Experimentelles Vorgehen .................................... 55
3.1 Materialauswahl ........................................ 55
3.1.1 Keramische Fasern ............................... 55
3.1.2 Precursoren ..................................... 55
3.1.2.1 Precursoren für das LSI-Verfahren ...... 55
3.1.2.2 Precursoren für das PIP-Verfahren ...... 57
3.1.3 Faserbeschichtung ............................... 58
3.1.3.1 Pyrolytischer Kohlenstoff (PyC) ........ 59
3.1.3.2 Lanthanphosphat (Monazit) .............. 59
3.2 Verbundkörperherstellung ............................... 6l
3.2.1 Vorkörperherstellung ............................ 6l
3.2.2 Flüssigphasensilicierverfahren .................. 62
3.2.3 Polymerinfiltration und Pyrolyse ................ 63
3.3 Berechnungen ........................................... 63
3.3.1 Faservolumengehalt .............................. 63
3.3.2 Theoretische Faserbeschichtungsschichtdicke ..... 64
3.3.2.1 Schichtdickenermittlung aus
Massenzunahme .......................... 64
3.3.2.2 Monazit-Schichtdicke in Abhängigkeit
vom Faserdurchmesser,
Faservolumengehalt, Konzentration der
Beschichtungslösung und Anzahl der
Beschichtungszyklen .................... 65
3.3.2.3 Einfluss der Schichtdicke auf den
Matrixvolumengehalt .................... 68
3.3.3 Theoretische SiO2-Sehichtdicke .................. 68
3.3.4 Keramische Ausbeute und Porosität ............... 69
3.3.5 Stöchiometrische SiC-Matrix via
Flüssigphasensilicierung ........................ 71
3.4 Untersuchungsmethoden .................................. 74
3.4.1 Messung von Dichte und Porosität ................ 74
3.4.1.1 Archimedes-Prinzip ..................... 75
3.4.1.2 Gaspyknometrie ......................... 76
3.4.1.3 Quecksilberdruckporosimetrie ........... 76
3.4.2 Thermogravimetrische Analyse .................... 77
3.4.3 Dilatometrie .................................... 77
3.4.4 Rasterelektronenmikroskopie ..................... 78
3.4.5 Transmissionselektronenmikroskopie .............. 78
3.4.6 Energiedispersive Röntgenspektroskopie .......... 79
3.4.7 Röntgendiffraktometrie .......................... 79
3.4.8 Bestimmung mechanischer Kennwerte ............... 80
3.4.8.1 3-Punkt-Biegeversuche an
Verbundkörpern ......................... 80
3.4.8.2 Zugversuche an Verbundkörpern .......... 82
3.4.8.3 Zugversuche an Faserbündeln ............ 83
4 Ergebnisse und Diskussion ................................... 85
4.1 Rohstoffe .............................................. 85
4.1.1 Fasern .......................................... 85
4.1.2 Precursoren ..................................... 89
4.1.2.1 Precursoren für das LSI-Verfahren ...... 89
4.1.2.2 Precursoren für das PIP-Verfahren ...... 89
4.1.3 Faserbeschichtung ............................... 90
4.1.3.1 Pyrolytischer Kohlenstoff .............. 90
4.1.3.2 Lanthanphosphat ........................ 94
4.2 SiBNC/SiC und SiC/SiC via LSI ......................... 107
4.2.1 Dichte und Porosität ........................... 107
4.2.2 Mechanische Eigenschaften ...................... 109
4.2.3 Mikrostrukturuntersuchungen .................... 112
4.2.3.1 Einfluss der Pyrolysetemperatur ....... 112
4.2.3.2 Einfluss des Matrixprecursors auf
die Matrixzusammensetzung ............. 115
4.2.3.3 Bruchverhalten und Mikrostruktur von
Si(BN)CPyC/SiC ......................... 117
4.2.3.4 Beständigkeit von PyC bei der
Silicierung ........................... 120
4.2.3.5 Beständigkeit von SiBNC-Fasern
bei der Silicierung ................... 123
4.2.4 Oxidationsuntersuchungen ...................... 127
4.3 SiBNC/SiCN und SiC/SiCN via PIP ....................... 128
4.3.1 Dichte und Porosität ........................... 129
4.3.2 Mechanische Eigenschaften ...................... 134
4.3.2.1 Einfluss des Fasertyps (SiBNC, SA3)
und der Faserarchitektur (0|90° UD,
0|90° LW) für Si(BN)CPyC/SiCN .......... 134
4.3.2.1.1 Einfluss der
Faserarchitektur (0|90°
UD/LW) ..................... 135
4.3.2.1.2 Einfluss des Fasertyps
(SiBNC, SA3) ............... 139
4.3.2.2 Einfluss des SiC-Fasertyps (SA3, ZMI,
LoxM) für SiCPyC/SiCN ................. 142
4.3.2.3 Einfluss der Faserbeschichtung für
SiC/SiCN .............................. 144
4.3.2.3.1 Vergleich un- und
PyC-beschichteter SiC-
Fasern ..................... 144
4.3.2.3.2 Vergleich Monazit-
beschichteter SiC-Fasern
mittels Foulard (FC) und
Dip Coating (DC) ........... 147
4.3.2.3.3 Vergleich un-, PyC- und
LaPO4-beschichteter
SiC-Fa-sern ................ 152
4.3.3 Mikrostrukturuntersuchungen .................... 153
4.3.3.1 Untersuchungen an der SiCN-Matrix ..... 154
4.3.3.2 SiBNCPyC/SiCN und SA3PyC/SiCN ........... 154
4.3.3.3 SiCPyC/SiCN mit unterschiedlichen
SiC-Fasertypen ........................ 162
4.3.3.4 SiCbaPc/SiCN .......................... 169
4.3.3.5 Vergleich von SiC/SiCN mit
unterschiedlicher Interphase .......... 181
4.3.4 Oxidationsuntersuchungen ....................... 183
4.3.4.1 Oxidationsuntersuchungen an Si(BN)
CPyC/SiCN .............................. 183
4.3.4.2 Oxidationsuntersuchungen an
SiCLaPO4/SiCN .......................... 186
4.3.5 Dilatometrieuntersuchungen ..................... 187
5 Zusammenstellung mechanischer und thermophysikalischer
Eigenschaften .............................................. 191
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 195
6.1 LSI-Verfahren ......................................... 195
6.2 PIP-Verfahren ......................................... 197
6.3 Vergleich LSI- und PIP-Verfahren ...................... 200
6.4 Ausblick .............................................. 201
6.4.1 LSI-Verfahren .................................. 201
6.4.2 PIP-Verfahren .................................. 202
A Anhang ..................................................... 205
A.1 Ermittlung der theoretischen Monazit-Schichtdicke ..... 205
A.2 Ermittlung der theoretischen Dichte eines CMCs ........ 209
A.3 Ermittlung der theoretischen SiO2-Schichtdicke ........ 211
A.4 Umrechnung Stoffmengen-, Massen- und Volumen-Anteil ... 215
A.5 Bildauswertung mittels Image J ........................ 216
A.6 Zugprobengeometrie .................................... 217
Literatur ..................................................... 219
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