Oxide Fiber Composites with three dimensional fiber architectures
Final Report Abstract
Im Forschungsvorhaben konnte erstmals eine oxidische Faserverbundkeramik (engl. Oxide Fiber Composites - OFC) mit dreidimensional geflochtener Faserverstärkung hergestellt und charakterisiert werden. Einleitend wurde hierfür der Spul- und der Radialflechtprozess zur Produktion von 2D-Geflechten unter dem Gesichtspunkt einer schonenden Verarbeitbarkeit verbessert. Zur Quantifizierung der Preformqualität wurde der Filamentbruch, der Flechtwinkel und die Flechtwinkelabweichung erfasst. Durch statistische Versuchsplanung (engl. Design of Experiments - DoE) im Rahmen tribologischer Untersuchungen konnten Wechselwirkung zwischen Materialität und Geometrie von Fadenführungselementen sowie Prozessparametern erforscht und besonders faserschonende Arbeitspunkte identifiziert werden. Im Zuge der Bewertung der Garnschädigung im 3D-Flechtprozess wurde ein Prüfsystem in die 3D- Flechtmaschine integriert. Dadurch wurde die Nachbildung von dynamischen Belastungszuständen unter Berücksichtigung des Einflusses des kleinen Fadenfalls im Radialflechtprozess oder des großen Fadenfalls im 3D-Flechtprozess möglich, welche die Identifikation von dreidimensionaler flechttechnikinhärenten, schädigungsspezifischen Kausalzusammenhängen erlaubte. Das daraus gewonnene Prozessverständnis ermöglicht es belastungsgerechte Lösungen bezüglich der Neugestaltung der Antriebstechnik, dem Klöppelbau und der Prozessführung zu generieren. Durch die Kopplung von analytischen und numerischen Methoden, basierend auf dem Ansatz der Diskrete Elemente Methode – DEM, in einem Prozesssimulationstool wurde es möglich komplexe Strukturen in Echtzeit auszulegen und zu simulieren. Der analytische Charakter der Simulation erlaubt es nicht nur die Struktur auszulesen, sondern auch den für den Delaminationswiderstand essentiellen Z-Faseranteil direkt zu berechnen. Durch gezielte 3D-Preformauslegung unter Berücksichtigung der Formhaltigkeit, des Z-Faseranteils und dem Ziel einer schwindungsfreien hochfesten porösen Matrix, konnte die interlaminare Scherfestigkeit (ILS), die bisher die inhärente Schwäche der OFC darstellt wesentlich gesteigert werden. Anders als im Projektantrag vorgesehen musste das diskontinuierliche Antriebssystem der 3D-Rotationsflechtmaschine durch ein kontinuierliches ersetzt werden. Durch keramikfaserbedingten Gangbahnverschleiß musste zudem das Flechtbett des Radialflechters ausgetauscht werden. Aufgrund der Entdeckung des Phänomens der selbstverstärkenden Schadensakkumulation entlang der Prozesskette musste der Untersuchungsraum um den Spulprozess erweitert werden. Die Untersuchung der Einzelfaserzugfestigkeiten von NextelTM610-Fasern der Firma 3M, Saint Paul, USA mit 3.000 den und 10.000 den ergab eine um 20 % geringere Festigkeit der 10.000 den Fasern ist. Die unterschiedliche Einzelfaserzugfestigkeit wirkte sich jedoch nicht auf die Eigenschaften von gewebeverstärkten Platten aus, diese wiesen vergleichbare Biegefestigkeiten auf. Im Rahmen des Vorhabens wurde ein Vakuuminfiltrationsprozess zur Herstellung von OFC entwickelt, mit dem 3-Pkt.-Biegefestigkeiten von bis zu 220 MPa erreicht wurden. Neben diesem Vakuuminfiltrationsprozess wurde auch ein Prepregprozess zur Herstellung der geflechtverstärkten OFC verwendet. Zur Untersuchung der Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftskorrelationen wurden die Einflüsse des Flechtwinkels, der Federspannung und der Rüttler-Einstellung auf die Mikrostruktur und Eigenschaften der OFC betrachtet. Durch die z-Verstärkung der 3D-Geflechte konnte die mittlere interlaminare Scherfestigkeit von 12,4 MPa für gewebeverstärkte Platten bzw. 14,8 MPa für Rundgeflechte auf bis zu 24,3 MPa gesteigert werden. Die mit 3D-Geflecht verstärkten OFC wiesen mittlere 3-Pkt.-Biegefestigkeiten von bis zu 374 MPa auf.
Publications
- Analysis of ceramic fibre processing with braiding machines for two- and three-dimensional reinforcement structures, In: The Fiber Society 2017 Spring Conference: Next Generation Fibers for Smart Products, May 17–19, 2017, Aachen, Germany. - Raleigh, NC: The Fiber Society, 2017
Papenbreer, L.; Kolloch, M.; Puchas, G.; Gries, T.; Krenkel, W.
- Near-net shape manufacture process for oxide fiber composites (OFC), In: Materials Today-Proceedings. 16 (2019), S. 49 – 58
Puchas, G.; Held, A.; Krenkel, W.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.05.278) - Innovation in 3D braiding technology and its applications, In: MDPI-Journal, Textiles 2021, 1(2), S. 185 – 205
Emonts, C.; Grigat, N.; Merkord, F.; Vollbrecht, B.; Idrissi, A.; Sackmann, J.; Gries, T.
(See online at https://doi.org/10.3390/textiles1020009) - Process Chain Development for the Fabrication of Three-Dimensional Braided Oxide Ceramic Matrix Composites, In: MDPI-Journal, Materials 2021, 14(21), 6338
Kolloch, M.; Puchas, G.; Grigat, N.; Vollbrecht, B.; Krenkel, W.; Gries, T.
(See online at https://doi.org/10.3390/ma14216338)
