Danksagung ...................................................... 3
Nomenklatur ..................................................... 8
Zusammenfassung ................................................ 12
Abstract ....................................................... 14
1 Einleitung und Zielsetzung ................................ 17
2 Grundlagen ................................................ 21
2.1 Grundlagen keramischer Faserverbimdwerkstoffe ............. 21
2.1.1 Einteilung keramischer Faserverbundwerkstoffe ...... 22
2.1.2 Bruchmechanik ...................................... 24
2.1.3 Fasern ............................................. 27
2.1.3.1 Einteilung von Fasern ..................... 28
2.1.3.2 Keramische Fasern auf der Basis von SiC ... 29
2.1.3.3 Fasern im quaternären System
Si-B-C-N .................................. 29
2.1.4 Matrices ........................................... 33
2.1.5 Faser/Matrix-Interphase ............................ 34
2.1.5.1 Lanthanphosphat ........................... 36
2.1.5.2 Mehrfachbeschichtungen .................... 39
2.1.6 Oxidation von Kohlenstoff und Si-haltigen
Keramiken .......................................... 40
2.2 Herstellungsverfahren faserverstärkter Keramiken .......... 42
2.2.1 Gasphaseninfiltration .............................. 43
2.2.2 Flüssigphasensilicierung ........................... 45
2.2.3 Polymer Infiltration und Pyrolyse .................. 47
2.2.4 Slurry Infiltration and High Pressure Sintering .... 48
2.2.5 Prepreg MI- und Slurry Cast MI-Verfahren ........... 49
2.2.6 Kombi-Verfahren .................................... 50
2.3 Eigenschaften SiC-faserverstärkter keramischer
Verbundwerkstoffe ......................................... 50
2.4 Anwendungsgebiete für SiC-faserverstärkte
keramische Verbundwerkstoffe .............................. 53
2.5 Präzisierung der Aufgabenstellung ......................... 55
3 Experimentelles Vorgehen .................................. 57
3.1 Materialauswahl ........................................... 57
3.1.1 Keramische Fasern .................................. 57
3.1.2 Precursoren ........................................ 57
3.1.2.1 Precursoren für das LSI-Verfahren ......... 57
3.1.2.2 Precursoren für das PIP-Verfahren ......... 59
3.1.3 Faserbeschichtung .................................. 60
3.1.3.1 Pyrolytischer Kohlenstoff (PyC) ........... 61
3.1.3.2 Lanthanphosphat (Monazit) .................. 61
3.2 Verbundkörperherstellung .................................. 63
3.2.1 Vorkörperherstellung ............................... 63
3.2.2 Flüssigphasensilicierverfahren ..................... 64
3.2.3 Polymerinfiltration und Pyrolyse ................... 65
3.3 Berechnungen .............................................. 65
3.3.1 Faservolumengehalt ................................. 65
3.3.2 Theoretische Faserbeschichtungsschichtdicke ........ 66
3.3.2.1 Schichtdickenermittlung aus
Massenzunahme ............................. 66
3.3.2.2 Monazit-Schichtdicke in Abhängigkeit
vom Faserdurchmesser,
Faservolumengehalt, Konzentration der
Beschichtungslösung und Anzahl der
Beschichtungszyklen ....................... 67
3.3.2.3 Einfluss der Schichtdicke auf den
Matrixvolumengehalt ....................... 70
3.3.3 Theoretische SiO2-Schichtdicke ..................... 70
3.3.4 Keramische Ausbeute und Porosität .................. 71
3.3.5 Stöchiometrische SiC-Matrix via
Flüssigphasensilicierung ........................... 73
3.4 Untersuchungsmethoden ..................................... 76
3.4.1 Messung von Dichte und Porosität ................... 76
3.4.1.1 Archimedes-Prinzip ........................ 77
3.4.1.2 Gaspyknometrie ............................ 78
3.4.1.3 Quecksilberdruckporosimetrie .............. 79
3.4.2 Thermogravimetrische Analyse ....................... 79
3.4.3 Dilatometrie ....................................... 79
3.4.4 Rasterelektronenmikroskopie ........................ 80
3.4.5 Transmissionselektronenmikroskopie ................. 81
3.4.6 Energiedispersive Röntgenspektroskopie ............. 81
3.4.7 Röntgendiffraktometrie ............................. 81
3.4.8 Bestimmung mechanischer Kennwerte .................. 82
3.4.8.1 3-Punkt-Biegeversuche an
Verbundkörpern ............................ 82
3.4.8.2 Zugversuche an Verbundkörpern ............. 84
3.4.8.3 Zugversuche an Faser bündeln .............. 85
4 Ergebnisse und Diskussion ................................. 87
4.1 Rohstoffe ................................................. 87
4.1.1 Fasern ............................................. 87
4.1.2 Precursoren ........................................ 91
4.1.2.1 Precursoren für das LSI-Verfahren ......... 91
4.1.2.2 Precursoren für das PIP-Verfahren ......... 91
4.1.3 Faserbeschichtung .................................. 92
4.1.3.1 Pyrolytischer Kohlenstoff ................. 92
4.1.3.2 Lanthanphosphat ........................... 96
4.2 SiBNC/SiC und SiC/SiC via LSI ............................ 109
4.2.1 Dichte und Porosität .............................. 109
4.2.2 Mechanische Eigenschaften ......................... 111
4.2.3 Mikrostrukturuntersuchungen ....................... 114
4.2.3.1 Einfluss der Pyrolysetemperatur .......... 114
4.2.3.2 Einfluss des Matrixprecursors auf die
Matrixzusammensetzung .................... 117
4.2.3.3 Bruchverhalten und Mikrostruktur von
Si(BN)CPyC/SiC ........................... 119
4.2.3.4 Beständigkeit von PyC bei der
Silicierung .............................. 122
4.2.3.5 Beständigkeit von SiBNC-Fasern bei
der Silicierung .......................... 125
4.2.4 Oxidationsuntersuchungen ......................... 129
4.3 SiBNC/SiCN und SiC/SiCN via PIP .......................... 130
4.3.1 Dichte und Porosität .............................. 131
4.3.2 Mechanische Eigenschaften ......................... 136
4.3.2.1 Einfluss des Fasertyps (SiBNC, SA3) und
der Faserarchitektur (0|90° UD, 0|90°
LW) für Si(BN)CPyC/SiCN ................... 136
4.3.2.1.1 Einfluss der Faserarchitektur
(0|90° UD/LW) ...................... 137
4.3.2.1.2 Einfluss des Fasertyps (SiBNC,
SA3) ............................... 141
4.3.2.2 Einfluss des SiC-Fasertyps (SA3, ZMI,
LoxM) für SiCPyC/SiCN ..................... 144
4.3.2.3 Einfluss der Faserbeschichtung für
SiC/SiCN ................................. 146
4.3.2.3.1 Vergleich un- und PyC-
beschichteter SiC-Fasern ........... 146
4.3.2.3.2 Vergleich Monazit-beschichteter
SiC-Fasern mittels Foulard (FC)
und Dip Coating (DC) ............... 149
4.3.2.3.3 Vergleich un-, PyC- und LaPO4-
beschichteter SiC-Fa-sern .......... 154
4.3.3 Mikrostrukturuntersuchungen ....................... 155
4.3.3.1 Untersuchungen an der SiCN-Matrix ........ 156
4.3.3.2 SiBNCPyC/SiCN und SA3PyC/SiCN ............. 156
4.3.3.3 SiCPyC/SiCN mit unterschiedlichen SiC-
Fasertypen ............................... 164
4.3.3.4 SiCLaPO4/SiCN ............................. 171
4.3.3.5 Vergleich von SiC/SiCN mit
unterschiedlicher Interphase ............. 183
4.3.4 Oxidationsuntersuchungen .......................... 185
4.3.4.1 Oxidationsuntersuchungen an
Si(BN)CPyC/SiCN ........................... 185
4.3.4.2 Oxidationsuntersuchungen an
SiCLaPO4/SiCN ............................. 188
4.3.5 Dilatometrieuntersuchungen ........................ 189
5 Zusammenstellung mechanischer und thermophysikalischer
Eigenschaften ............................................ 193
6 Zusammenfassung und Ausblick ............................. 197
6.1 LSI-Verfahren ............................................ 197
6.2 PIP-Verfahren ............................................ 199
6.3 Vergleich LSI- und PIP-Verfahren ......................... 202
6.4 Ausblick ................................................. 203
6.4.1 LSI-Verfahren ..................................... 203
6.4.2 PIP-Verfahren ..................................... 204
A Anhang ................................................... 207
A.l Ermittlung der theoretischen Monazit-Schichtdicke ........ 207
A.2 Ermittlung der theoretischen Dichte eines CMCs ........... 211
A.3 Ermittlung der theoretischen SiO2-Schichtdicke ........... 213
A.4 Umrechnung Stoffmengen-, Massen- und Volumen-Anteil ...... 217
A.5 Bildauswertung mittels Image J ........................... 218
A.6 Zugprobengeometrie ....................................... 219
Literatur ..................................................... 221
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