Intrinsische Risse und Poren in Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen

Kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoffe (C/C) sind Hochleistungswerkstoffe, die sich durch sehr gute Festigkeit und Steifigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen, geringe Kerbempfindlichkeit, hohe Beständigkeiten gegen Thermoschock und Korrosion, gute Biokompatibilität sowie gute elektrische und thermische Leitfähigkeiten auszeichnen. Diese Eigenschaften machen die Werkstoffgruppe für unterschiedlichste Anwendungen interessant. Beispiele sind Widerstandsheizelemente zur Erzeugung von Temperaturen über 3000 °C, Hochleistungsbremsscheiben, Hitzeschutzschilde oder Implantate. Die Herstellung der Werkstoffe erfordert die Infiltration einer für die Anwendung optimierten porösen Faservorform mit graphitartigem Kohlenstoff, die durch Pyrolyse von flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffprecursoren erfolgt [THO93, FIT98]. Bei der Pyrolyse von flüssigen Kohlenwasserstoffprecursoren verbleiben auf Grund der enormen Schrumpfung des Precursors ausgeprägte Riss- und Porenmuster im Werkstoff [WAN91, SCH06, SCH07], die zu hohen Porositäten führen und durch mehrfache Nachinfiltration reduziert werden. Deutlich geringere Porositäten findet man hingegen bei der Infiltration mit gasförmigen Precursoren (Chemical Vapor Infiltration, CVI). Das CVI-Verfahren ermöglicht die Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff definierter Textur, das heißt einer vorzugsweisen Orientierung der Graphenebenen zum Substrat, welche das Eigenschaftsprofil des Verbundwerkstoffes neben den Fasereigenschaften und der Faserarchitektur beeinflusst. Die Porosität nimmt im Laufe der Gasphaseninfiltration sukzessive ab, allerdings verbleibt nach vollständiger Infiltration ohne weitere Nachinfiltration immer noch eine Restporosität von bis zu 10 % [ZHA02, ZHA03]. Durch eine geeignete Glühbehandlung nach der Infiltration lassen sich Elastizitätsmodul und Zugfestigkeit durch eine Graphitierung des Kohlenstoffs weiter erhöhen, welche allerdings die Bildung von ausgeprägten Rissmustern zur Folge hat [PET94, DOM95]. Die Risse und Poren sind demnach intrinsisch vorhanden und wirken sich mit unterschiedlichen Größenskalen auf die Materialeigenschaften aus. Im Rahmen dieser Arbeit werden Riss- und Porensysteme auf mesoskopischer Hierarchieebene betrachtet – d. h. Risse und Poren, die deutlich größer sind als der mittlere Faserdurchmesser und kleiner sind als die makroskopischen Probenabmessungen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Evolution dieser Gefügebestandteile im Laufe der Gasphaseninfiltration und sukzessiven thermischen Nachbehandlungen in ihrer dreidimensionalen Struktur zu erfassen und die Auswirkung auf das effektive elastische Materialverhalten zu beschreiben. An Methoden werden hierbei die Röntgen-Computertomographie, die Ultraschallphasenspektroskopie und die resonante Ultraschallspektroskopie angewandt. Alle Verfahren sind zerstörungsfrei und erlauben dadurch eine Prozess-Struktur- Eigenschaftskorrelation an ein und derselben Probe. Mit geeigneten Modellen aus der Literatur werden aus den gewonnenen Gefügeinformationen effektive elastische Konstanten berechnet und mit den ultraschallspektroskopischen Ergebnissen korreliert.