Beschichtung von Kohlenstofffasern durch Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Coating of Carbon Fibers by Chemical Vapor Deposition

  • Der Einsatz faserverstärkter Verbundwerkstoffe mit metallischer und keramischer Matrix bietet den Vorteil von Kombination und optimaler Ausnutzung verschiedenster Werkstoffeigenschaften. Die Verwendung einer durch Kohlenstofffasern verstärkten keramischen Matrix erlangte dabei in der kürzeren Vergangenheit vermehrtes Interesse. Grundlegend für den erfolgreichen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist dabei ein optimiertes Faser-Matrix-Interface, also eine "optimale" Haftung der Fasern innerhalb der umgebenden Matrix. Gute Benetzbarkeit während des Produktionsprozesses sowie hinreichende chemische und thermische Resistenz der Fasern gegenüber der Matrix im Betrieb, finden Vorraussetzungen in Der Einsatz faserverstärkter Verbundwerkstoffe mit metallischer und keramischer Matrix bietet den Vorteil von Kombination und optimaler Ausnutzung verschiedenster Werkstoffeigenschaften. Die Verwendung einer durch Kohlenstofffasern verstärkten keramischen Matrix erlangte dabei in der kürzeren Vergangenheit vermehrtes Interesse. Grundlegend für den erfolgreichen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist dabei ein optimiertes Faser-Matrix-Interface, also eine "optimale" Haftung der Fasern innerhalb der umgebenden Matrix. Gute Benetzbarkeit während des Produktionsprozesses sowie hinreichende chemische und thermische Resistenz der Fasern gegenüber der Matrix im Betrieb, finden Vorraussetzungen in einer durch chemische Gasphasenabscheidung auf die Fasern aufgebrachten dünnen Schutzschicht. Neue Herstellungsverfahren sichern dabei die wirtschaftliche Realisierbarkeit der Prozesse. Hierzu wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedenste Untersuchungen zur Abscheidung von unterschiedlich aufgebauten Schutzschichten auf Kohlenstofffasern in "unendlicher" Länge und in geschnittener Form durchgeführt. Zum besseren Verständnis einer derartigen Infiltration wurde ein mathematisches Infiltrationsmodell aufgestellt. Um Aufschluss über die optimalen Beschichtungsparameter für die Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff aus den Precursoren Methan oder Propan, sowie aus der Abscheidung von Titannitrid aus einem TiCl4/N2/H2-System zu erhalten, wurden der Faserbeschichtung Beschichtungsprozesse von porenfreien Substraten mit abgestimmten Charakterisierungsmaßnahmen vorausgeschickt. Abgeleitet von diesen Versuchen wurde ein kinetischer Ansatz der chemischen Gasphasenabscheidung von pyC aus Methan oder Propan und der Abscheidung von Titannitrid aus dem TiCl4/N2/H2-System ermittelt. Aus den ermittelten, Betriebsparametern erfolgte nach anlagenspezifischem Scale-up die Beschichtung von Kohlenstoffkurz und -langfasern. Hierbei wurden auch Beschichtungen bestehend aus Kombinationen der unterschiedlichen Schutzschichten verwirklicht. Zusätzlich zu den typischen Charakterisierungen wurden die mechanischen Eigenschaften der Fasern und der jeweiligen Verbunde (MMC und CMC) bestimmt. Auf die Anforderungen bezüglich der kontinuierlichen Faserbeschichtung mit möglichst hoher Abscheiderate und Umsatz bei gleichzeitig geringer Russformation wurde besonders geachtet. Da sowohl Abscheiderate als auch Schichtbeschaffenheit zwischen diskontinuierlicher und kontinuierlicher Langfaserbeschichtung quasi konform gehen, kann mit einer Übertragbarkeit dieser Prozessparameter auf eine zukünftige Kohlenstoffkurzfaserbeschichtung gerechnet werden. Erste Beschichtungen der Kurzfasern mit Titannitrid, pyrolytischem Kohlenstoff, Siliziumcarbid sowie einer Kombination der Schutzschichten erfolgten in einem neu entwickelten kontinuierlich betriebenen Drehrohr-Mikrowellenreaktor.show moreshow less
  • The use of fiber reinforced composite materials with metallic and ceramic matrix offers the advantage of combination and optimal usage of most different material properties. The use of a ceramic matrix reinforced by carbon fibers aroused increased interest in the shorter past. Basic of the successful use of fiber composite materials is an optimized fiber matrix interface, which means an "optimal" adhesion of the fibers within the surrounding matrix. Good wetting during the production process as well as adequate chemical and thermal resistance of the fibers to the matrix in operation, find use in a thin protective layer on the fibers grown by chemical vapor deposition. New manufacturing methoThe use of fiber reinforced composite materials with metallic and ceramic matrix offers the advantage of combination and optimal usage of most different material properties. The use of a ceramic matrix reinforced by carbon fibers aroused increased interest in the shorter past. Basic of the successful use of fiber composite materials is an optimized fiber matrix interface, which means an "optimal" adhesion of the fibers within the surrounding matrix. Good wetting during the production process as well as adequate chemical and thermal resistance of the fibers to the matrix in operation, find use in a thin protective layer on the fibers grown by chemical vapor deposition. New manufacturing methods ensure the economic feasibility of the processes. In frame of this study different examinations to the deposition of variable protective layers built up on carbon fibers in "infinite" length and in chopped form were carried out. To the better understanding of such an infiltration a mathematical modell was prepared. To get insight in the optimal coating parameters for the deposition of pyrolytic carbon of the precursors methane or propane as well as from the deposition of titanium nitride out of a TiCl4/N2/H2 system, the fiber coating's were sent on ahead coating processes by pore free substrates with concerning characterization methodes. Derived from these tests a kinetic approach of the chemical vapor deposition of pyC out of methane or propane and the deposition of titanium nitride out of the TiCl4/N2/H2 system was set up. Out of the investigated operation parameters the coating of carbon short and long fibers was carried out after a plant specific scale-up. Additionally coatings consisting of combinations of the different protective single-layers were realized. In addition to the typical characterizations the mechanical properties of the fibers and the respective composites (MMC and CMC) were determined. To the requirements regarding the continuous fiber coating of a deposition rate and a conversion as high as possible and at the same time a low soot-formation special attention has to be paid. Since both deposition rate and layer composition agree virtually between discontinuous and continuous long fiber coating a future carbon short fiber coating can be realized with the transferability of these process parameters. First coatings of short fibers were carried out with titanium nitride, pyrolytic carbon, silicon carbide as well as a combination of the protective layers in a newly developed roll- pipe microwave reactor operated continuously.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stephan Schmidt
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-1778
Advisor:Gerhard Emig
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2005
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2004/10/21
Release Date:2005/08/24
Tag:Faser-Matrix-Grenzfläche; Kombinationsschicht; pyrolytischer Kohlenstoff
CVD; CVI; Carbon Fiber; Composites; Fiber-Matrix-Interface
SWD-Keyword:CVD-Verfahren; Gasphasenimprägnierung; Keramischer Werkstoff / Verbundwerkstoff; Kohlenstofffaser; Mathematisches Modell; Metallischer Werkstoff
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Chemische Verfahrenstechnik / Chemische Verfahrenstechnik
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $