Entwicklung von keramischen SiC/SiC-Verbundwerkstoffen mit Tyranno SA3 Fasern auf Basis des PIP- und LSI-Verfahrens

Die vorliegende Arbeit zeigt, wie über das Polymerinfiltration- und Pyrolyse-Verfahren (PIP) sowie über das Flüssigphasensilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration - LSI) schadenstolerante siliciumcarbidfaserverstärkte keramische Verbundwerkstoffe hergestellt werden können. Als Faserverstärkung werden Tyranno SA3 Fasern (UBE Industries Ltd., Japan) eingesetzt. Die Herstellungsparameter wie auch die Anforderungen an die Fasern und die verwendeten Rohstoffe unterscheiden sich je nach Herstellungsverfahren deutlich. Der Matrixaufbau erfolgt bei beiden Verfahren polymerbasiert. ... mehrFür das PIP-Verfahren wird ein neues, eigens für das PIP Verfahren optimiertes Polysilazan verwendet, das durch Pyrolyse zu einer keramischen SiCN Matrix überführt wird. Im LSI Verfahren werden zum Matrixaufbau Phenol-basierte Polymere verwendet, die bei Pyrolyse zu Kohlenstoff konvertieren. In einem abschließenden Schritt wird flüssiges Silicium in den Vorkörper infiltriert, so dass die Kohlenstoffmatrix zu einer Siliciumcarbidmatrix reagiert. Die Morphologie und Zusammensetzung der Tyranno SA3 Fasern wird mikrostrukturell erforscht. Die verwendeten Matrixpolymere werden hinsichtlich Infiltrations-, Härtungs- und Pyrolyseeigenschaften eingehend untersucht und der Herstellungsprozess nach den gewonnenen Erkenntnissen angepasst.
Das im Vergleich zu PIP sehr schnelle und potentiell sehr kostengünstige LSI-Verfahren hat den Nachteil, dass die Silicierung stark degradierend auf SiC Fasern wirkt, was zu niedrigen Composite-Festigkeiten und geringen Bruchdehnungen führt. Um diesem Nachteil entgegenzuwirken, werden zum LSI-Verfahren kompatible und funktionale CVD-Faserbeschichtungen erprobt, insbesondere aus BN, SiC und C, die eine hohe Schadenstoleranz und Oxidationsbeständigkeit begünstigen. Zur Gewährleistung eines besonders geringen Schmelzangriffs auf die Faserbeschichtungen und damit letztendlich auch auf die Fasern wurde eine schonende Silicierung mit Silicium-Bor Legierungen entwickelt. Der Einfluss des Bor-Gehaltes und der Silicierungstemperatur auf das Benetzungsverhalten, der Kohlenstoffkonvertierung und der Reaktivität gegenüber Fasern und Faserbeschichtungen wird erforscht. Die erhaltenen Composites werden hinsichtlich dem Matrixaufbau und dem Oxidationsverhalten bei 1200 °C untersucht. Mechanische Kennwerte werden durch Zug- und Biegeversuchen an unidirektional- und gewebeverstärktem Composites mit- und ohne Faserbeschichtungen sowie mit- und ohne äußere CVD-SiC Beschichtung ermittelt und unter Zuhilfenahme von Mikrostrukturbildern analysiert.

This thesis demonstrates how damage tolerant silicon carbide fiber reinforced ceramic composites can be manufactured using the Polymer Infiltration and Pyrolysis process (PIP) as well as the Liquid Silicon Infiltration process (LSI). Tyranno SA3 fibers (UBE Industries Ltd., Japan) are used as fiber reinforcement. The manufacturing parameters as well as the requirements for the fibers and the raw materials used differ considerably depending on the manufacturing process. In both processes, the matrix is polymer-based. For the PIP process, a new polysilazane, specially optimized for the PIP process is used, which is converted into a ceramic SiCN matrix by pyrolysis. ... mehrIn the LSI process, phenolic polymers are used for the creation of the matrix, which convert to carbon during pyrolysis. In a final step, liquid silicon is infiltrated into the preform so that the carbon matrix converts to a silicon carbide matrix. The morphology and composition of the Tyranno SA3 fibers is being investigated microstructurally. The matrix polymers are investigated in detail with regard to infiltration, curing and pyrolysis properties and the manufacturing process is adapted according to the knowledge gained.
The LSI process, which is very fast and potentially very cost-effective compared to PIP, has the disadvantage that siliconization has a strong degrading effect on SiC fibers, resulting in low strengths and low fracture strains. To counteract this disadvantage, functional CVD fiber coatings compatible with the LSI process are being tested, especially those made of BN, SiC and C, which promote high damage tolerance and oxidation resistance. In order to ensure a particularly low melt attack on the fiber coatings and thus ultimately also on the fibers, a gentle siliconization with silicon-boron alloys was developed. The influence of boron content and temperature on wetting behavior, carbon conversion and reactivity to fibers and fiber coatings is being investigated. The resulting composites are investigated with regard to matrix structure and oxidation behavior at 1200 °C. Mechanical characteristics are determined by tensile and bending tests on unidirectional and fabric-reinforced composites with and without fiber coatings as well as with and without external CVD-SiC coating and analyzed with the aid of microstructure images.