Kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffmatrixverbunde werden hergestellt und untersucht mit den Zielen der Verbesserung ihrer technologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften. Zur Erweiterung ihres industriellen Einsatz- potentials wurde ein schnelles und ökonomisches Herstellungsverfahren für diese Verbunde ausgewählt, prozessbegleitend untersucht und objektiviert. Die Herstellung erfolgte über die Polymerpyrolyseroute in Verbindung mit einer Nachverdichtung der fertigen porösen C/C-Verbunde durch einmalige Imprägnierung der offenen Poren mittels modifizierten, polymeren Silicium-Verbindungen (Polysilan, Polycarbosilan bzw. Tyranno). Diese polymeren Si-Verbindungen wurden durch Zugabe von Dicobaltoctacarbonyl [Co2(CO)8] modifiziert und anschließend einer thermischen Umsetzung unterzogen, d.h. zu SiC pyrolysiert. Die wirkungsvolle Nach- verdichtung der porösen C/C-Verbunde mittels modifiziertem Polysilan wird nachgewiesen und auf die katalytische Wirkung von Co2(CO)8 zur Bildung von Si-Si-Bindungen im Polysilan zurückgeführt. Im Gegensatz zur Nachverdichtung mit flüssigem Silicium wurde bei polymeren Si-Verbindungen keine Faserschädigungen aufgrund einer Reaktion zwischen C-Faser und Silicium und keine Si-Anreicherungen in den infiltrierten Poren gefunden. Darüber hinaus verbessert das Einbringen von Si und SiC in die Matrix das Oxidationsver- halten des Verbundes nachhaltig. Entgegen der wirkungsvollen Nachverdichtung mittels modifiziertem Polysilan ist keine effektive Abdichtung der C/C-Verbunde durch eine einmalige Infiltration von mit Co2(CO)8 modifiziertem Polycarbosilan bzw. Tyranno erzielbar. Die hergestellten Verbunde wurden eingehend mittels Lichtmikroskopie, REM, EDXS, TMA, DMA, TGA und Mikrobiegeversuch charakterisiert.

Das dreistufige Flüssigsilicierverfahren (LSI) stellt eine Methode dar, siliciumcarbidbasierte faserverstärkte Keramiken herzustellen. Ausgangspunkt ist ein faserverstärkter Kunststoff, der über Pyrolyse (Konvertierung des Matrixpolymers in Kohlenstoff) und Silicierung (Siliciuminfiltration und Reaktion zu Siliciumcarbid) keramisiert wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Matrix mittels der verwendeten Matrixpolymere (Matrixdesign) und das Faser/Matrix-Interface durch das Aufbringen von Faserbeschichtungen (Interfacedesign) definiert gestaltet. Die in der Arbeit eingesetzten Matrixpolymere beeinflussen durch eine unterschiedliche Poren- und Rissbildung in der Kohlenstoffmatrix die Siliciuminfiltration und die damit verbundene Siliciumcarbidbildung. Die Matrixpolymere erzeugen einerseits eine C-SiC-Dualphasenmatrix, wie diese bei den C/C-SiC-Verbunden angestrebt wird. Andererseits kann eine weitestgehend einphasige SiC-Matrix eingestellt werden, welche für die Herstellung von SiC/SiC-Verbunden interessant ist. Bei diesen Verbundwerkstoffen ist eine zusätzliche Faserbeschichtung entscheidend, um die Faser/Matrix-Bindung zu reduzieren und die Fasern vor dem Siliciumangriff während der Herstellung zu schützen. Als Faserbeschichtung werden eine BNx-Schicht und eine SiNx-Schicht entwickelt, die in einer BNx/SiNx-Doppelschicht kombiniert werden. Die Schichtherstellung erfolgt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem kommerziellen SiC-Fasergarn (Tyranno SA3). Die amorphe BNx-Schicht ist innerhalb des Fasergarnes sehr homogen. Dahingegen besitzt die amorphe SiNx-Schicht einen Gradient in der Schichtdicke sowie in der chemischen Zusammensetzung. Bei der thermischen Auslagerung bleibt die BNx-Schicht stabil. Die SiNx-Schicht kristallisiert und es bilden sich Poren und Siliciumausscheidungen innerhalb der Schicht. Zudem entstehen teilweise Risse und Schichtabplatzungen. Weitere alternative Schichtkonzepte werden vorgeschlagen. / The liquid silicon infiltration (LSI) process is used to produce silicon carbide (SiC) based fiber reinforced ceramics and consists of three stages. Starting point is a fiber reinforced plastic, which is ceramized by means of pyrolysis (conversion of the matrix polymer to carbon) and siliconization (silicon infiltration and reaction to form silicon carbide). In the present work, the matrix and the fiber/matrix interface are designed by utilizing special matrix polymers and fiber coatings, respectively. The used matrix polymers lead to different pore and crack formation in the carbon matrix affecting the liquid silicon infiltration and the silicon carbide formation. The polymers not only create a dual phase C-SiC matrix, which is aspired for the production of C/C-SiC composites, but also form a single phase SiC matrix favorable for the SiC/SiC composite production. An additional coating of the fibers for these composite materials is crucial to reduce the fiber/matrix bonding and to protect the fibers from corrosive silicon attack. Separate BNx and SiNx single coatings are developed, which are combined to a double coating. The coating process is realized by chemical vapor deposition (CVD) on a commercial SiC fiber yarn (Tyranno SA3). The amorphous BNx coating is very uniform within the yarn, whereas the amorphous SiNx coating is characterized by a gradient regarding the layer thickness as well as the chemical composition. During the high temperature heat treatment the BNx coating remains stable. The SiNx coating crystallizes and pores as well as silicon precipitations are formed. Moreover, the coating partially ruptures. In this work, some additional alternative coating concepts are also proposed.

Das dreistufige Flüssigsilicierverfahren (LSI) stellt eine Methode dar, siliciumcarbidbasierte faserverstärkte Keramiken herzustellen. Ausgangspunkt ist ein faserverstärkter Kunststoff, der über Pyrolyse (Konvertierung des Matrixpolymers in Kohlenstoff) und Silicierung (Siliciuminfiltration und Reaktion zu Siliciumcarbid) keramisiert wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Matrix mittels der verwendeten Matrixpolymere (Matrixdesign) und das Faser/Matrix-Interface durch das Aufbringen von Faserbeschichtungen (Interfacedesign) definiert gestaltet. Die in der Arbeit eingesetzten Matrixpolymere beeinflussen durch eine unterschiedliche Poren- und Rissbildung in der Kohlenstoffmatrix die Siliciuminfiltration und die damit verbundene Siliciumcarbidbildung. Die Matrixpolymere erzeugen einerseits eine C-SiC-Dualphasenmatrix, wie diese bei den C/C-SiC-Verbunden angestrebt wird. Andererseits kann eine weitestgehend einphasige SiC-Matrix eingestellt werden, welche für die Herstellung von SiC/SiC-Verbunden interessant ist. Bei diesen Verbundwerkstoffen ist eine zusätzliche Faserbeschichtung entscheidend, um die Faser/Matrix-Bindung zu reduzieren und die Fasern vor dem Siliciumangriff während der Herstellung zu schützen. Als Faserbeschichtung werden eine BNx-Schicht und eine SiNx-Schicht entwickelt, die in einer BNx/SiNx-Doppelschicht kombiniert werden. Die Schichtherstellung erfolgt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem kommerziellen SiC-Fasergarn (Tyranno SA3). Die amorphe BNx-Schicht ist innerhalb des Fasergarnes sehr homogen. Dahingegen besitzt die amorphe SiNx-Schicht einen Gradient in der Schichtdicke sowie in der chemischen Zusammensetzung. Bei der thermischen Auslagerung bleibt die BNx-Schicht stabil. Die SiNx-Schicht kristallisiert und es bilden sich Poren und Siliciumausscheidungen innerhalb der Schicht. Zudem entstehen teilweise Risse und Schichtabplatzungen. Weitere alternative Schichtkonzepte werden vorgeschlagen. / The liquid silicon infiltration (LSI) process is used to produce silicon carbide (SiC) based fiber reinforced ceramics and consists of three stages. Starting point is a fiber reinforced plastic, which is ceramized by means of pyrolysis (conversion of the matrix polymer to carbon) and siliconization (silicon infiltration and reaction to form silicon carbide). In the present work, the matrix and the fiber/matrix interface are designed by utilizing special matrix polymers and fiber coatings, respectively. The used matrix polymers lead to different pore and crack formation in the carbon matrix affecting the liquid silicon infiltration and the silicon carbide formation. The polymers not only create a dual phase C-SiC matrix, which is aspired for the production of C/C-SiC composites, but also form a single phase SiC matrix favorable for the SiC/SiC composite production. An additional coating of the fibers for these composite materials is crucial to reduce the fiber/matrix bonding and to protect the fibers from corrosive silicon attack. Separate BNx and SiNx single coatings are developed, which are combined to a double coating. The coating process is realized by chemical vapor deposition (CVD) on a commercial SiC fiber yarn (Tyranno SA3). The amorphous BNx coating is very uniform within the yarn, whereas the amorphous SiNx coating is characterized by a gradient regarding the layer thickness as well as the chemical composition. During the high temperature heat treatment the BNx coating remains stable. The SiNx coating crystallizes and pores as well as silicon precipitations are formed. Moreover, the coating partially ruptures. In this work, some additional alternative coating concepts are also proposed.

Kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffmatrixverbunde werden hergestellt und untersucht mit den Zielen der Verbesserung ihrer technologischen und mikrostrukturellen Eigenschaften. Zur Erweiterung ihres industriellen Einsatz- potentials wurde ein schnelles und ökonomisches Herstellungsverfahren für diese Verbunde ausgewählt, prozessbegleitend untersucht und objektiviert. Die Herstellung erfolgte über die Polymerpyrolyseroute in Verbindung mit einer Nachverdichtung der fertigen porösen C/C-Verbunde durch einmalige Imprägnierung der offenen Poren mittels modifizierten, polymeren Silicium-Verbindungen (Polysilan, Polycarbosilan bzw. Tyranno). Diese polymeren Si-Verbindungen wurden durch Zugabe von Dicobaltoctacarbonyl [Co2(CO)8] modifiziert und anschließend einer thermischen Umsetzung unterzogen, d.h. zu SiC pyrolysiert. Die wirkungsvolle Nach- verdichtung der porösen C/C-Verbunde mittels modifiziertem Polysilan wird nachgewiesen und auf die katalytische Wirkung von Co2(CO)8 zur Bildung von Si-Si-Bindungen im Polysilan zurückgeführt. Im Gegensatz zur Nachverdichtung mit flüssigem Silicium wurde bei polymeren Si-Verbindungen keine Faserschädigungen aufgrund einer Reaktion zwischen C-Faser und Silicium und keine Si-Anreicherungen in den infiltrierten Poren gefunden. Darüber hinaus verbessert das Einbringen von Si und SiC in die Matrix das Oxidationsver- halten des Verbundes nachhaltig. Entgegen der wirkungsvollen Nachverdichtung mittels modifiziertem Polysilan ist keine effektive Abdichtung der C/C-Verbunde durch eine einmalige Infiltration von mit Co2(CO)8 modifiziertem Polycarbosilan bzw. Tyranno erzielbar. Die hergestellten Verbunde wurden eingehend mittels Lichtmikroskopie, REM, EDXS, TMA, DMA, TGA und Mikrobiegeversuch charakterisiert.