Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer C/SiC-Bruchfläche.

Eine Werkstoffklasse, die besonders für Anwendungen unter hoher thermischer Belastung prädestiniert ist, stellen die Faserverbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (CMC, ceramic matrix composites) dar. Kohlenstofffaserverstärktes Siliciumcarbid (C/SiC) ist ein Vertreter dieser Klasse, der mit am weitesten entwickelt ist. Es existieren verschiedene Herstellungsverfahren, die sich sowohl hinsichtlich der Prozesskosten als auch im resultierenden Eigenschaftsprofil des Werkstoffs deutlich unterscheiden. Unter Kostenaspekten ist das sogenannte Flüssigsilicierverfahren von besonderem Interesse, bei dem schmelzflüssiges Silicium ein poröses Substrat aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) infiltriert und vorzugsweise mit dem Kohlenstoff der Matrix direkt zu SiC reagiert.
Eine entscheidende Schwäche dieses Verfahrens sind unerwünschte, weil schädigende, Reaktionen der Siliciumschmelze mit den Kohlenstofffasern, was bei hohen angestrebten SiC-Gehalten zu sprödem Versagensverhalten und niedrigen Festigkeiten führt. Um diesen Nachteil zu beheben, ist im Institut das Verfahren dahingehend modifiziert worden, den Reaktionspartner Silicium nicht durch einen Infiltrationsschritt von außen zuzuführen, sondern von Anfang an im Inneren des Materials zu platzieren (Innere Silicierung). Durch eine homogene Verteilung von Si-Füllerpartikel in der Kohlenstoffmatrix lässt sich die Reaktion, die sonst unkontrolliert mit dem gesamten verfügbaren Kohlenstoff stattfindet, lokal begrenzen.
Neben dem Erhalt der Faserintegrität sind als zusätzliche Vorteile zu werten, dass nach Abschluss der Reaktionen kein überschüssiges freies Silicium mehr vorliegt und durch den Wegfall des Infiltrationsvorgangs keine prinzipielle Beschränkung von Bauteilwandstärken existiert. Das Verfahren führt zudem zu einer gleichförmigen Zusammensetzung der Matrix ohne Gradienten über den gesamten Querschnitt. Ein integraler Bestandteil des modifizierten Prozesses ist eine sehr feinskalige offene Porosität der Composites von mehr als 30%. Einerseits gewährleistet dies ein schadenstolerantes Versagensverhalten und den Ausschluss von Sprödbruch, andererseits ist dadurch allerdings die Lastübertragung auf andere Fasern und damit die erreichbare Biegefestigkeit limitiert. Aktuelle Entwicklungsarbeiten im Institut zielen daher speziell auf die Verbesserung dieses Aspektes.


Ansprechpartner: Dr. Martin Bram,  m.bram@fz-juelich.de