Herstellung von Faserkeramiken nach dem Flüssigsilicierverfahren (LSI-Technik)

Abstract

Keramische Verbundwerkstoffe wurden ursprünglich für Hochtemperaturanwendungen in der Raumfahrt entwickelt. Hohe massenspezifische Kennwerte und extreme Temperaturbeständigkeit sind wichtige Auswahlkriterien für den Einsatz neuer Werkstoffe in Primärstrukturen der Zelle und des Tragwerkes, in Triebwerken und Thermalschutzsystemen (TPS). Zwar besteht bereits seit den sechziger Jahren sowohl in den USA als auch in der ehemaligen Sowjetunion eine lange Tradition in der Herstellung und Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff-Bauteilen (Carbon/Carbon, C/C), die Forderung nach geringst möglichem Flächengewicht und mehrfacher Wiederverwendbarkeit moderner Raumtransportsysteme konnte jedoch nur durch neue, erosions- und korrosionsbeständigere Werkstoffe erfüllt werden. Die zu diesem Zeitpunkt entwickelten CMC-Werkstoffe waren jedoch weder frei verfügbar noch erlaubten die lang andauernden und damit energieintensiven Herstellungsprozesse eine aussichtsreiche Erschließung weiterer Anwendungsfelder außerhalb der Raumfahrt. Das DLR-Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung begann daher 1988 mit der verfahrenstechnischen Entwicklung von keramischen Verbundwerkstoffen zum Aufbau einer eigenen Kompetenz in dieser Schlüsseltechnologie [1]. Prozesstechnik und Werkstoff sollten dabei folgenden Anforderungen genügen: •Aufbau einer SiC-Matrix durch Flüssigphaseninfiltration •Dimensionsunabhängige, endkonturnahe Bauteilherstellung •Kurze Ofenbelegungszeiten und einfache Prozessführung Hierfür wurde das Flüssigsilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration, LSI) entwickelt, wobei zu Beginn der Werkstoff- und Verfahrensentwicklung besonderes Augenmerk auf eine unter Serienaspekten industriell umsetzbare, das heißt großtechnisch und wirtschaftlich nutzbare, Herstellungstechnologie gelegt wurde [2]. Die wirtschaftlichen und technologischen Vorteile des LSI Verfahrens gegenüber den anderen CMC-Herstellungsverfahren, wie die kurzen Fertigungszeiten und die hohe Gestaltungsfreiheit bei der Formgebung, führten dazu, das in den letzten Jahren mehrere Industriefirmen eigene Fertigungskapazitäten aufgebaut haben. Angetrieben wird diese Entwicklung durch das derzeit interessanteste Anwendungsgebiet von CMC- Werkstoffen, den Hochleistungsbremsscheiben für Pkw, die aus tribologischen aber auch aus Kostengründen grundsätzlich im Flüssigsilicierverfahren hergestellt werden. Hier erschließt sich mittelfristig ein, für CMC- Verhältnisse, sehr großes Marktvolumen von 200 bis 1000 Jahrestonnen [3].