Herstellung und Qualifizierung eines homogenen Keramik-Polymer-Verbund Werkstoffs durch druckunterstützte Polymerisation einer porösen Keramik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Herstellungsmethode zur Erzeugung von fehlstellenoptimierten polymerinfiltrierten Keramiken (PICs). Die Herstellung von PICs erfolgt durch die Infiltration einer porösen Keramik mit flüssigem Monomer, welches anschließend durch eine thermisch induzierte Polymerisation ausgehärtet wird. Zur Erreichung des Ziels der fehlstellenoptimierten PICs wurden alle angewandten Prozessschritte einzeln untersucht und optimiert. Zudem wurden zu Beginn der Arbeit die Einzelkomponenten Preform und Polymer eingehend untersucht. Neben der mechanischen Charakterisierung beider Komponenten wurden Kennwerte wie Porosität und innere Oberfläche der Preforms sowie das Vernetzungsverhalten der Co-Polymere und die Auswirkungen des Prozessdrucks auf die Polymereigenschaften untersucht. Anschließend erfolgte eine Optimierung der einzelnen Prozessschritte: - Oberflächenmodifikation der Preform - Infiltration der Preform - Polymerisation des Verbundwerkstoffs. Zur Verbesserung der Haftung zwischen Keramik und Polymer wurde eine Oberflächenmodifikationsverfahren entwickelt, mit welchem ein gleichmäßiger Haftvermittlerauftrag möglich ist. Des Weiteren galt es die Preforms vollständig mit Monomer zu füllen. Aufgrund der geringen Porendurchmesser wurde ein druckunterstütztes Infiltrationsverfahren entwickelt, mit welchem eine vollständige Infiltration möglich wurde. Die Polymerisation der infiltrierten Preforms stellte die größte Herausforderung des Forschungsprojektes dar, da die Umwandlung vom Monomer zum Polymer der Grund für die Fehlstellenbildung im Verbundwerkstoff darstellt. Durch die Beaufschlagung der infiltrierten Preforms mit hohem Druck während der Polymerisation kann eine Kompensation des Polymerisationsschwunds erreicht werden. Der Polymerisationsschwund von ca. 10% kann abhängig vom angelegten Prozessdruck damit teilweise oder vollständig kompensiert werden. Nach erfolgreicher Prozessentwicklung wurden mehrere PIC-Chargen mit unterschiedlicher Porosität, unterschiedlichen Drücken und unterschiedlichen Heizraten hergestellt. Der Einfluss der Prozessparameter auf Festigkeit, Gefügestruktur, E-Modul und Bruchverhalten wurde mit mechanischen Tests und Mikrostrukturanalysen ermittelt. Dabei wurde eine gute Korrelation zwischen vorliegender Mikrostruktur und Festigkeit gefunden. Der Vergleich der erzeugten PICs mit herkömmlichen Polymer-Keramik-Verbundwerkstoffen bestätigt die Vermutung von deutlich erhöhten Festigkeits- und E-Modul-Werten sowie einer höheren Bruchzähigkeit und steigendem R-Kurven Verhalten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of a chemical surface modification on the distribution of an adhesion promoter in porous ceramic precursors, Conference: Material Science Engineering, 2010
Steier V, Koplin C, Kailer A, Reinecke H
- Investigation of the adhesion promoter distribution in porous ceramic precursors, ISRN Mechanical Engineering, 2011
Steier V, Koplin C, Kailer A, Reinecke H
- Polymer infiltrated ceramics- Bonding strength of an adhesion promoter using pull-off- and shear tests, Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Proceedings 18. Symposium, 2011, P. 196 – 201, ISSN 1439- 1597
Steier V, Koplin C, Kailer A, Reinecke H
- Influence of pressure-assisted polymerization on microstructure and strength of polymer infiltrated ceramics, Journal of Materials Science 48 (8), 2012, 3239-3247
Steier V, Koplin C, Kailer A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10853-012-7106-7) - Pressure assisted manufacturing of a novel polymer infiltrated ceramic with interpenetrating matrices, Proceedings 1st Brazilian Conference on Composite Materials, Vol. 1, 2012, ISSN 2316-1337
Steier V, Koplin C, Kailer A, Reinecke H
- Processing and mechanical properties of polymer-infiltrated ceramics, Conference: Material Science Engineering, 2012
Steier V, Koplin C, Kailer A
