Verbundwerkstoffe
Ein keramischer Faserverbundwerkstoff (CMC) ist mit SiC-Fasern verstärkt. Was ist der Hauptzweck einer dünnen Beschichtung aus Bornitrid (BN) oder pyrolytischem Kohlenstoff an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix?
- ADie Grenzfläche möglichst fest zu verbinden, um die Lastübertragung von der Matrix auf die Fasern zu maximieren und Risse durch die Fasern zu stoppen
- BAls Sinterhilfsmittel zu wirken, das den Schmelzpunkt der keramischen Matrix senkt, sodass sie bei niedrigerer Temperatur gesintert werden kann
- CDie Grenzfläche gezielt zu schwächen, damit Risse abgelenkt werden und Energie durch Ablösen und Herausziehen der Fasern aufgenommen wird
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Lösung: C. Die Grenzfläche gezielt zu schwächen, damit Risse abgelenkt werden und Energie durch Ablösen und Herausziehen der Fasern aufgenommen wird
Keramische Matrizes sind spröde, daher entstehen unter Last zuerst Risse in der Matrix. Ist die Grenzfläche zu fest, durchläuft ein solcher Riss die Fasern ungehindert, und der Werkstoff bricht wie eine monolithische Keramik schlagartig. Wird die Grenzfläche mit einer geschichteten, leicht gleitenden Beschichtung wie BN oder pyrolytischem Kohlenstoff gezielt geschwächt, wird der Riss entlang der Grenzfläche abgelenkt; die Fasern überbrücken die Rissflanken und nehmen durch Ablösen und Herausziehen (Pull-out) viel Energie auf. Dadurch versagt der Werkstoff nicht schlagartig, und die scheinbare Zähigkeit steigt deutlich. Eine möglichst feste Grenzfläche ist das Konzept für Polymermatrizes, bei denen die Lastübertragung erhöht werden soll; bei CMC wirkt sie kontraproduktiv. Die Beschichtung dient nicht dazu, die Sintertemperatur zu senken.