Entwicklung des Pulverspritzgießprozesses und Bewertung des Eigenschaftspotentials von kurzfaserverstärkten Oxid-Oxid-Komposite

• Antragsteller: Dr.-Ing. Rainer Oberacker; Dr.-Ing. Volker Piotter
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269896286

Oxidkeramische Faserverbundwerkstoffe sind attraktiv für unterschiedliche Anwendungen bei hohen Temperaturen. Während ihre Entwicklung im Bereich der Langfaserverstärkung weit vorangeschritten ist, befindet sie sich bei kurzfaserverstärkten Oxidkeramiken noch in einem sehr frühen Stadium. Insbesondere der Bereich spritzgegossener Materialien ist kaum untersucht. Da der Spritzguss ein sehr wirtschaftliches Verfahren darstellt, soll im beantragten Vorhaben das Potenzial spritzgegossener kuzfaserverstärkter Oxidkeramiken ausgelotet werden.Das Ziel des Vorhabens liegt in der Entwicklung einer Prozesskette die es ermöglicht, oxidische kurzfaserverstärkte Keramikbauteile mit erhöhter Bruchzähigkeit und akzeptabler Festigkeit durch Pulverspritzgießen herzustellen. Dazu gehört eine grundlegende Bewertung der erreichbaren mechanischen Eigenschaften durch Variation der wichtigsten eigenschaftsrelevanten Mikrostrukturparameter. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Werkstoffkonzept von Kompositen mit schwacher Matrix (weak matrix composites, WMC), bei dem die Verstärkungsmechanismen auf einer porösen Matrix und der damit verbundenen schwachen Faser-Matrix-Grenzflächenanbindung beruhen.Dazu werden zunächst spritzgießfähige Massen (Feedstocks) entwickelt, die auch nach der Aufbereitung im Kneter (Compoundierung) ausreichende Faserlängen aufweisen. Da sich die Fasern im Prozess ausrichten, müssen die Zusammenhänge zwischen den Fließzuständen während der Grünlingsherstellung und der resultierenden Faserorientierung verstanden werden. Dazu soll die Faserorientierung mit den berechneten Schergeschwindigkeitsprofilen korreliert werden. Für die kurzfaserverstärkten CMCs ist außerdem eine fehlerfreie Entbinderungstechnologie zu entwickeln. Der anschließende Sinterprozess ist so zu steuern, dass die Verstärkungswirkung der Fasern im gesinterten Verbundmaterial zum Tragen kommt. Dazu muss die Mikrostruktur und die Anbindung der Matrix an die Fasern gezielt eingestellt werden, wobei eine Faserschädigung zu vermeiden ist. Hierzu werden drucklose und druckunterstützte Sinterverfahren eingesetzt. Geeignete Prozessparameter werden identifiziert, indem an unterschiedlich konsolidierten Materialien Mikrostrukturuntersuchungen und push-in-Tests zur Ermittlung der Grenzflächenbruchzähigkeit und der Reibungsspannung beim Faserauzug (pull-out)durchgeführt werden.Im Bereich der optimalen Konsolidierungsbedingungen hergestellte Materialien werden dann für eine grundlegende Bewertung der mechanischen Eigenschaften herangezogen. Die Ziele der mechanischen Charakterisierung liegen darin, die Zusammenhänge von Fasergehalt und -orientierung und dem richtungsabhängigen mechanischen Verhalten so weit zu verstehen, dass Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen aufgestellt werden können. An ausgewählten Materialvarianten werden orientierende Biegekriechversuche durchgeführt, um einen ersten Einblick in das Hochtemperaturverhalten der Materialien zu erhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen