Kontinuierliche Faserbeschichtung für Kompositwerkstoffe

Faserverstärkte Kompositwerkstoffe werden aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften und variablen Gestaltungsmöglichkeiten in vielen Bereichen der Industrie verwendet. Dabei erfüllen die Fasern je nach Anwendungsfall unterschiedliche Funktionen. Unabhängig von der Art der Komposite entscheidet das Faser-Matrix-Interface über die Komposit-Eigen­schaften. Definierte Faser-Beschichtungen eröffnen dabei vielfältige Möglichkeiten der Eigenschafts- und damit Funktionseinstellung. So kann durch Beschichtung der Fasern die Stärke der Anbindung an das Matrixmaterial variiert und ein Schutz vor chemischen Wechselwirkungen bei der Infiltration mit dem Matrixmaterial erreicht werden. Bei der Kombination von Endlosfasern, z. B. aus Glas oder Kohlen­stoff, mit einer duktilen Matrix aus Kunststoffen oder Metallen wird hauptsächlich das Ziel ver­folgt, die Festigkeit und Steifigkeit dieser Werkstoffe zu verbessern. Im Fokus der Forschung am Fraunhofer IKTS stehen demgegenüber keramische Faserverbundwerkstoffe mit hoher Bruchzähigkeit und Schadenstoleranz.

Hierfür wurde am IKTS eine Beschichtungsan­lage für die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufgebaut, mit der vielfältige Schichttechnologien und Schichtvarianten bei Ver­wendung eines 2-Kammer-Reaktorsystems im Rolle-zu-Rolle-Prozess realisierbar sind (Bild 1 und 2). Beide CVD-Beschichtungskammern können unabhängig voneinander mit variablen Precursoren bis zu Beschichtungstemperaturen von 1100 °C und Abscheidungsdrücken bis 100 mbar im CVD-Prozess betrieben werden. Während der Beschichtung wird ein Faser-Roving, bestehend aus vielen Einzelfilamenten, kontinuierlich durch die zwei Beschichtungs­kammern gezogen.

CVD-Beschichtung für Fasern in kerami-schen Kompositwerkstoffen

Bei keramischen Kompositwerkstoffen (CMC, ceramic matrix composites), die z. B. als Leicht­bauwerkstoff oder in Hochtemperaturprozessen Anwendung finden, werden Faserbeschichtun­gen benötigt, die neben einem zuverlässigen Oxidations- und Korrosionsschutz der Fasern vor allem ein schadenstolerantes Verhalten des Komposits gewährleisten. Durch die Faserver­stärkung kann das für keramische Werkstoffe oft typische spröde Materialverhalten via Riss­ablenkung und Faser-Pull-out vermieden wer­den. Für nichtoxidische Komposite haben sich Schichten aus Bornitrid auf Grund der hexago­nalen Schichtstruktur (h-BN) und der daraus resultierenden günstigen Abgleitbedingungen beim Pull-out durchgesetzt. Diese Schichten besitzen jedoch keine ausreichende Hochtem­peraturstabilität (Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen > 1000 °C) an Luft. Aus diesem Grund wurden am Fraunhofer IKTS Doppelschichten entwickelt, die aus einer h-BN-Schicht mit einer darüberliegenden schützenden Schicht aus Siliciumcarbid (SiC) bestehen (Bild 3). Diese Doppelschichten können in der Rolle-zu-Rolle- Faserbeschichtungsanlage während eines Durchgangs nacheinander in zwei Beschich­tungskammern aufgebracht werden. Ausdrück­versuche an Einzelfasern (single fiber push out tests) zeigen die gewünschte schwache Anbindung der beschichteten Fasern an das Matrix-Material.