Bücher der Reihe Schriftenreihe Keramische Werkstoffe

Keramische Verbundbremsscheiben aus Kohlenstofffaser verstärktem Siliziumkarbid (C/SiC, ugs. Carbon Keramik), hergestellt nach dem Flüssigsilizierverfahren (Liquid Silicon Infiltration, LSI), haben sich seit ihrer Markteinführung im Jahr 2001 im Sportwagenbereich und in leistungsfähigen Serienfahrzeugen etabliert, jedoch verhinderten bisher vor allem die hohen Kosten eine Stückzahlerhöhung und weitere Verbreitung in stückzahlattraktivere Fahrzeugklassen. Um die Anstrengungen zur Kostenreduzierung zu unterstützen, wurde in dieser Arbeit ein für eine wirtschaftliche Serienherstellung geeignetes Werkstoff- und Bauweisenkonzept entwickelt. Anhand einer festgelegten Referenzvariante wurden alternative Werkstoff- und Bauweisenkonzepte für den Bremsscheibenring, den Bremsscheibentopf und die Verbindungstechnik entwickelt, bezüglich ihrer Herstellbarkeit und Eigenschaften untersucht und untereinander vergleichend bewertet. Hierzu wurden alle Einzelschritte der Herstellung, ausgehend von der Faser bis zur einbaufertigen Bremsscheibe, betrachtet. Resultierend aus den Ergebnissen der Material- und Bauteilanalysen konnte abschließend ein unter funktionalen, fertigungsspezifischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten verbessertes Gesamtkonzept aufgezeigt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Oberflächenmodifizierung der keramischen Oberseite von Keramik-Metall Gradientenwerkstoffen durch ein kombiniertes Laser-Plasma Verfahren durchgeführt, um ein korrosionsbeständiges Wärmedämmschichtsystem zu erhalten Die Herstellung der dünnen, flächigen fünfschichtigen Gradientenwerkstoffe im Stoffsystem 8Y-ZrO2/ZrSiO4-NiCr8020 mit einem Mehrphasen-Zusammensetzungsgradienten erfolgte über ein pulvermetallurgisches Verfahren. Mittels laser-assisted microwave plasma processing (LAMPP), wurde an porösen, gesinterten 8Y-ZrO2 Modellkörpern eine rissfreie Versiegelung mit einer Dicke von 160 µm bis 200 µm erzielt. Unterstützend zur thermooptischen Analyse wurde eine simulationsbasierte Betrachtung des Sinterverhaltens durchgeführt. Die Wärmeleitfähigkeit bei 1000 °C Prüftemperatur ist ¿_WLF= 4,28 W/(mK) für den nur gesinterten und ¿_WLF= 5,13 W/(mK) für den zusätzlich versiegelten Gradientenkörper. Die mechanischen Eigenschaften wurden mittels Doppelring-Biegefestigkeit in konvexer Versuchsanordnung ermittelt. Eine Bewertung der Güte der Versiegelung der keramischen Seite der Gradientenkörper erfolgte mittels Heißgaskorrosionstest bei Anwesenheit von Vanadiumpentoxid bei 1000 °C Prüftemperatur. Durch die Versiegelung konnte die Tiefe des Vanadium-Zutritts gegenüber nur gesinterten Proben um den Faktor 7 reduziert werden.

Die vorliegende Arbeit hat die Entwicklung und Charakterisierung von Bornitrid-gefüllten PDC-Schichten zum Ziel. Diese sollen mittels Tauchbeschichtung applizierbar sein, wobei nicht nur einzelne Prozessschritte im Vordergrund stehen. Vielmehr wird eine lückenlose Prozesskette, ausgehend von der Herstellung der Beschichtungssuspensionen, über die Beschichtung mittels Dip-Coating-Verfahren, bis hin zur Pyrolyse erarbeitet und deren Eigenschaften charakterisiert.Die in der Arbeit dargestellten Ergebnisse zeigen, dass die cBN-gefüllten Beschichtungen das Potential für eine industrielle Nutzung besitzen und einem Einsatz dieser Systeme in Bereichen, in denen sehr hohe Ansprüche an den Schutz vor Oxidation und Korrosion, aber auch an die Verschleißbeständigkeit gestellt werden, optimistisch entgegengesehen werden kann.

BeschreibungEs wird die Herstellung von C/C-SiC-Werkstoffen mittels Flüssigsilizierung und thermoplastischen Kohlenstoffprecursoren untersucht. Ausgehend von kommerziellen thermoplastischen Polymeren wurden im mehrstufigen Auswahlverfahren die zwei Kunststoffe Polyetherimid PEI Ultem1000 von Sabic und das Polyetheretherketon KT880FP von Solvay als geeignete Precursoren für die Herstellung von C/C-SiC mit Gewebeverstärkung im Warmpressprozess identifiziert. Durch eine thermische Faservorbehandlung in Stickstoffatmosphäre kann die Faser-Matrix-Wechselwirkung durch die kontinuierliche Entfernung der funktionellen Sauerstoffgruppen auf der Faseroberfläche bei beiden Polymeren eingestellt werden. Das Resultat sind verbesserte mechanische Kennwerte im C/C-SiC-Zustand, wobei eine 4-Punkt-Biegefestigkeit von > 220 MPa mit PEEK KT880FP Precursor bei einer Faservorbehandlungstemperatur von 700 - 800 °C erzielt wird. Eine weitere Steigerung der Faservorbehandlungstemperatur führt zur zunehmenden Faser-Matrix-Ablösung während der Pyrolyse. Dadurch wird SiC-Bildung bei der Flüssigsilizierung gesteigert.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss der Schleif- und Fräsbearbeitung auf die Oberflächenqualität, die wirkenden Abtragmechanismen und die mechanischen Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärktem Siliziumcarbid (C/SiC) untersucht. Als Versuchswerkstoff wurde ein kommerzieller C/C-SiC-Werkstoff verwendet, für den, anhand eines Analogieversuchs mit einem Ritzdiamanten grundsätzlich spröde Abtrageigenschaften für die SiC-Matrix und von der Faserorientierung abhängige, grenzflächengestützte Mechanismen für die C/C-Faserbereiche ermittelt wurden. Das verfahrenstechnische Potential beim Fräsen besteht, im Vergleich zum Schleifen, in der Einstellung höherer Vorschübe. Eine Vorschuberhöhung resultiert allerdings auch in einer Zunahme des Oberflächenfehlers, was mit dem Zusammenhang mit den Abtragmechanismen erklärt werden kann. Ein Zusammenhang der Fräs- oder Schleifbearbeitung zur Biegefestigkeit konnte nicht hergestellt werden. Obwohl sich die Rauheitswerte einer geschliffenen und einer gefrästen Oberfläche mehr als um den Faktor drei unterscheiden, sinkt die Biegefestigkeit lediglich um 4 %.

In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges Freeze-Casting Verfahren für die Herstellung von oxidkeramischen Verbundwerkstoffen entwickelt. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Überführung eines flüssigen, niedrigviskosen Schlickers in eine feste Matrix, welche beim Sintern nicht schwindet. Dies ist notwendig, da die eingesetzten oxidischen Fasern einer Sinterschwindung entgegenstehen und somit die Porosität erhalten werden muss. Die Matrix, bestehend aus YAG und ZrO2, ist elementarer Bestandteil des Verbundwerkstoffs, da diese die Al2O3-Faserfilamente mechanisch entkoppelt, sowie die Kräfte zwischen diesen überträgt und letztendlich das schadenstolerante Bruchverhalten ermöglicht. Das Ergebnis ist ein hochfester Werkstoff, welcher dauerhaft in korrosiven Atmosphären bei Temperaturen von über 1000 °C eingesetzt werden kann. Die Verbundwerkstoffe mit Nextel¿610-Gewebeverstärkung (Al2O3-Fasern) und YAG-ZrO2 Matrix haben eine Dichte von 2,9 g/cm³ bei einer scheinbaren Porosität von 31 Vol.%. Die Biegefestigkeit beträgt ca. 300 MPa bei einer Bruchdehnung von 0,37 %.