Microstructural and Mechanical Characterization of Damage Tolerant SiC/SiCN Ceramic Matrix Composites Manufactured via PIP Process

Silicon carbide fiber reinforced SiC composites offer performance advantages such as higher temperature capability and significant lower density over the currently used metallic superalloys. In this work silicon carbide fiber reinforced nitrogenous SiC composites (SiC/SiCN) were manufactured by polymer infiltration and pyrolysis. As precursor a polyvinylsilazane with low viscosity was infiltrated via resin transfer molding into Tyranno SA3 fiber preforms, cured and pyrolyzed. Due to process induced shrinkage several reinfiltration and pyrolysis steps had to be performed until an acceptable porosity below 5% was achieved. The matrix precursor was investigated in terms of thermal behavior via differential scanning calorimetry and rheology measurement to find the ideal temperatures for the polymer infiltration step. Pure matrix specimens were cured and pyrolyzed. The densification during pyrolysis was investigated in terms of thermogravimetric analysis, He gas pycnometry and X-ray diffraction. Finally the microstructure of the composite and the quality of the infiltration process was characterized by SEM and CT. To determine the mechanical properties of the SiC/SiCN composites, samples were tested by means of 3-point bending

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. Für 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

Validierung des Potentials von Laserbearbeitung an SiC/SiC- und C/SiC- Kompositen

Harte Materialien mit Sprödbruchverhalten sind mit klassischen Methoden nur schwierig mechanisch bearbeitbar. Zu diesen Materialien gehören SiC/SiC-Komposite, die ohne zusätzlich aufgebrachte schwache Interphase via Flüssigphasensilicierung hergestellt wurden. Eine etablierte Methode für elektrisch leitende Werkstoffe ist das Drahterodieren. Die langen Bearbeitungszeiten aufgrund niedriger Vorschubraten machen dieses Verfahren aber kostenintensiv. Eine Alternative stellt Laserbearbeitung dar. Dieses Verfahren wird vor allem in der Automobilbranche eingesetzt um mit hoher Präzision dünne Bleche zu schneiden. Bisher gibt es keine Erfahrung auf dem Gebiet der Laserbearbeitung an Siliciumcarbid-basierten Keramiken. Ihr teils metallischer Charakter, wie z.B. hohe Wärmeleitfähigkeit und Thermoschockbeständigkeit, ermöglicht im Vergleich zu oxidischen Keramiken eine Laserbearbeitung mit hohem Energieeintrag und damit verbunden hohen Abtragsraten. Der Schwerpunkt der Versuche lag auf der Validierung der Machbarkeit von Laserbearbeitung an Siliciumcarbid-basierten Keramiken. Verschiedene Laser-Parameter wurden variiert und bezüglich Schnittqualität und Geschwindigkeit miteinander verglichen und per REM ausgewertet