Die Entstehung des Rissmusters während der Pyrolyse von CFK zur Herstellung von C/C-Werkstoffen

Kurzfassung

Das Flüssigsilicierprozess ist ein bedeutendes Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Keramiken. In diesem Verfahren wird ein Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff (CFK) pyrolytisch in einen Kohlenstofffaser-verstärkten Kohlenstoff (C/C) umgewandelt. Die starken Schrumpfungen der polymerischen Matrix werden während der Pyrolyse durch die Fasern behindert, so dass ein regelmäßiges Rissmuster entsteht. Da das C/C ungenügende mechanische Eigenschaften aufweist, muss eine Nachverdichtung durchgeführt werden, welche im Flüssigsilicierverfahren durch die Infiltration mit flüssigem Silicium erfolgt. Das Silicium reagiert dabei mit dem Kohlenstoff zu SiC, so dass das Endprodukt C/C-SiC entsteht. Die genaue Mikrostruktur des pyrolysebedingten Rissmusters hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die späteren Eigenschaften der C/C-SiC-Bauteile. Diese Mikrostruktur wird im Wesentlichen durch die Faser-Matrix-Haftung beeinflusst. In dieser Arbeit wurden daher umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt, mit denen die Entwicklung der drei wesentlichen Risstypen (Faser-Matrix-Ablösungen, Segmentierungsrisse und Teildelaminationen) nachvollzogen werden konnte. Einen besonderen Schwerpunkt stellten die in situ Versuche mittels Thermomikroskopie und Schallemissionsanalyse dar, die es ermöglichten, die wesentlichen Phasen der Rissentwickung, die Mechanismen als auch die Interaktion der drei Risstypen in Abhängigkeit von der Faser-Matrix-Haftung nachzuvollziehen. Zur Vorbereitung der abschließenden Simulation wurde der Einfluss der Pyrolysetemperatur auf die erforderlichen Kennwerte ermittelt. So konnten die Möglichkeiten des gewählten Modells weitgehend ausgeschöpft werden. Die Untersuchungen wurden mit einer mikromechanischen Simulation abgeschlossen. Diese bestätigte die bereits experimentell festgestellten Mechanismen von Segmentierungsrissen und Teildelaminationen. Im Falle der sich über mehrere Skalen entwickelnden Faser-Matrix-Ablösungen konnte allerdings keine Aussagen gewonnen werden, da diese Simulation auf mesoskopische Risse beschränkt ist. Diese Untersuchungen erlaubten, eine Hypothese zur Entwicklung der Rissmuster während der Pyrolyse von CFK zu C/C vorzuschlagen. Die Hypothese zeigt, bei welchen Temperaturen welche Risstypen entstehen. Sie erklärt die Schädigungsmechanismen, die zur Entstehung der Risse führen sowie die Interaktion zwischen den Rissen. Des Weiteren wird der Einfluss beschrieben, den die Faser-Matrix-Haftung als dem wesentlichen Parameter auf die Entwicklung des Rissmusters hat.