Polymer-abgeleitete Keramikbeschichtungen auf Kohlenstofffasern zur Beeinflussung der Grenzflächen in thixogeschmiedeten Aluminium-Verbundmaterialien (Cf/Al-MMCs)

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Kern; Professor Dr.-Ing. Mathias Liewald; Professor Ralf Riedel
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518575506

Bei der Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Aluminiumverbundwerkstoffen (Cf/Al) stellt die Karbidbildung an der Faser-Matrix-Grenzfläche und die damit verbundene Verringerung der longitudinalen Festigkeit des Verbundwerkstoffes ein großes technisches Problem dar. Die Karbidbildung kann zum Beispiel durch die Reduktion der Formgebungstemperatur, den Einsatz von geeigneten Matrixlegierungen oder die Konditionierung der Grenzfläche durch die Abscheidung von Faserbeschichtungen vermindert werden. Im beantragten Vorhaben soll die Herstellung von Cf/Al-Halbzeuge durch thermisches Spritzen von konditionierten Fasern mit Aluminium und deren Herstellung durch Formgebung im teilflüssigen Zustand und somit bei reduzierter Prozesstemperatur im Verglich zu Gießverfahren verfolgt werden. Im beantragten Projekt soll die Faser-Matrix-Grenzfläche speziell für faserverstärkte Leichtmetalle optimiert werden. Der Fertigungsansatz beruht auf der Abscheidung keramischer Faserschutzschichten mittels kontinuierlicher Flüssigphasenbeschichtung (CLPC-Verfahren). Als Ausgangswerkstoff für die keramischen Faserschutzschichten werden präkeramische Präkursoren verwendet. Die Faserbeschichtung soll die Anhaftung des Matrixmaterials an die Verstärkungsfasern verbessern, um somit die gesamte über die Matrix eingeleitete Kraft auf diese übertragen zu können. Hierzu muss die Funktionsschicht schon während des Herstellungsprozesses des Verbundes das Benetzungsverhalten des Metalls an der Faser beeinflussen. Außerdem sollen chemische Reaktionen, wie etwaige Karbidbildungen, verhindert und die thermische Resistenz der Fasern, sowohl bei der Herstellung als auch im späteren Einsatz des Verbundes, gewährleistet werden. Als Faserverstärkung sollen PAN-basierte Kohlenstofffasern eingesetzt werden. Der Einsatz dieses kostengünstigen Fasertyps, welcher durch eine Beschichtung für einen metallischen Verbundwerkstoff maßgeschneidert wird, und dabei dennoch preislich sehr attraktiv ist, bietet großes Potential zur Verstärkung in Verbundwerkstoffen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, ein grundlegendes Verständnis der Karbidbildung in C/Al sowie deren Einfluss auf das Versagensverhalten des Verbundes zu erarbeiten. Dazu soll eine Korrelation der Prozessparameter des CLPC-Prozesses und des Formgebungsprozesses sowie der mikro- und makromechanischen Eigenschaften des Verbundes erarbeitet werden. Auf Basis der Ergebnisse ist eine modellhafte Beschreibung des Faser-Matrix-Grenzbereichs und der Faser-Matrix-Anbindung als Funktion der Prozessparameter geplant. Die Untersuchungen dienen zur Etablierung eines geeigneten Prozessfeldes für die Herstellung von kohlenstofffaserverstärktem Aluminium mit optimaler Grenzflächeneinstellung und quasi-duktilem Versagensverhalten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen