Entwicklung von Herstellverfahren für innenbelüftete Bremsscheiben aus kurzfaserverstärktem C/C-SiC

Abstract

Bremsscheiben aus faserverstärkten C/C-SiC Keramiken werden üblicherweise im Flüssigsilicierverfahren hergestellt. Dieser relativ kostengünstige Fertigungsprozess besteht aus drei Schritten, der Herstellung eines kurzfaserverstärkten CFK-Vorkörpers via Warmpressen, der Pyrolyse der Polymermatrix und die abschliessende Infiltration des dabei entstandenen, porösen C/C-Vorkörpers mit geschmolzenen Silicium. Das Silicium reagiert dabei mit einem Teil des Kohlenstoffs und bildet die SiC-Matrix des Verbundwerkstoffs. Innenbelüftete C/C-SiC Bremsscheiben können auf drei unterschiedlichen Wegen realisiert werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Kühlkanäle vor der Silicierung aus massiven C/C-Vorkörpern herauszuarbeiten. In einer verbesserten Methode werden endkonturnahe, einseitig verrippte Halbschalen verwendet. Nach der Fügung der Halbschalen bilden sich die Kühlkanäle aus den Rippen. In einem neuen Ansatz wurden innenbelüftete CMC-Bremsscheiben auf der Basis von einteiligen CFK-Vorkörpern hergestellt. Die Kühlkanäle werden dabei durch Formkerne erzeugt. In einem ersten Entwicklungsschritt wurden exemplarische Probenplatten (160mm x 80mm x 30mm) hergestellt, mit denen der Einfluss unterschiedlicher Kerngeometrien und Faserlängen auf die Verarbeitbarkeit und auf die resultierenden C/C-SiC Werkstoffeigenschaften systematisch untersucht wurden. Wesentliche Variationsparameter waren die Kernbreite (20, 30 und 40 mm) und der Kernabstand (5 bis 20 mm). Um eine homogene Faserverteilung, insbesondere in den Bereichen zwischen den Kernen, zu erreichen, wurden Kohlenstoffkurzfasern mit 10, 20 und 40 mm Länge untersucht. Auf der Basis dieser Grundlagenuntersuchungen konnten geeignete Ausgangsmaterialien, Pressmassen und Fertigungsparameter definiert und die Fertigungstechnologie auf die Herstellung von Bremsscheiben in Originalgröße (Ø 325 mm) erfolgreich übertragen werden. In diesem Beitrag werden die unterschiedlichen Herstellmethoden für innenbelüftete C/C-SiC Bremsscheiben verglichen, die Entwicklung der einteiligen Bauweise erläutert und die Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von den verwendeten Ausgangsmaterialien und Kerngeometrien aufgezeigt.