Faserverstärkte Keramiken zeichnen sich durch eine im Vergleich zu monolithischen Keramiken erhöhte Bruchzähigkeit und Schadenstoleranz aus. Diese Eigenschaften eröffnen vielseitige Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen mit hohen thermischen und mechanischen Anforderungen. Ein etabliertes Herstellungsverfahren für nichtoxidische faserverstärkte Keramiken ist das dreistufige Flüssigsilicierverfahren (Liquid Silicon Infiltration, LSI). In einem Formgebungsschritt wird ein faserverstärkter Kunststoff hergestellt, der anschließend über Pyrolyse (Konvertierung des Matrixpolymers in Kohlenstoff) und Silicierung (Siliciuminfiltration und Reaktion zu Siliciumcarbid) zu einem keramischen Verbundwerkstoff weiterverarbeitet wird. Für eine wirtschaftliche Formgebung bietet sich ein extrusionsbasierter Pultrusionsprozess an. Damit verbunden ist die Herausforderung, geeignete Compounds zu entwickeln, die sowohl den Anforderungen des Pultrusionsprozesses (Fließfähigkeit, Infiltrationsverhalten, temperaturgesteuerte Vernetzung) als auch den Bedingungen des Pyrolyse- und Silicierprozesses (Kohlenstoffausbeute, Porositätsbildung, Siliciumcarbidbildung) genügen. Bisherige Arbeiten belegen die Machbarkeit der Kombination von Pultrusion und anschließender Pyrolyse [1], systematische Untersuchungen zur Verarbeitung geeigneter Compounds für diesen Prozess fehlen jedoch weitgehend. Insbesondere das Infiltrationsverhalten gefüllter Compounds in unterschiedlichen textilen Flächengebilden wurde bislang nicht adressiert.

Ziel des Beitrags ist es, das Infiltrationsverhalten von kurzfaserverstärkten Compounds auf Novolakbasis in Abhängigkeit der eingesetzten textilen Flächengebilde zu untersuchen. Hierbei sollen unterschiedliche textile Konstruktionen (UD-Gelege, Gewebe in Leinwand- und Köperbindung) miteinander verglichen werden.

Für die Versuche wurden Compounds eingesetzt, die aus einem Novolak mit Härter, Prozesshilfsmitteln sowie 30 Masse-% Kohlenstoffkurzfasern bestehen. Die Herstellung erfolgte im Doppelschneckenextruder, der eine homogene Verteilung der Komponenten sicherstellte. Zur grundlegenden Untersuchung des Infiltrationsverhaltens wurden diskontinuierliche Modellversuche herangezogen. Hierfür kam ein Ein-Kolbenspritzpresswerkzeug zum Einsatz, das in eine Presse integriert war. Die textilen Flächengebilde wurden dabei in die Werkzeugkavität eingelegt. Durch gezielte Temperaturführung wurde das Compound im Zylinder plastifiziert und nach dem Einspritz- und Infiltrationsvorgang innerhalb der Kavität vernetzt. Die Eigenschaften der so hergestellten faserverstärkten Kunststoffe wurden durch mechanische Prüfungen sowie materialografische Analysen charakterisiert.

Referenzen

[1] J.H.M. Stiller, K. Roder, D. Löpitz, M. Knobloch, D. Nestler, W.-G. Drossel, L. Kroll Ceramics, 2023, 6, 330–341.

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