Herstellung und Charakterisierung von hochtemperaturbeständigen Fasern aus Yttrium-Aluminium-Granat

Abstract

In den letzten Jahrzehnten ist der Bedarf an neuartigen und hochwertigen keramischen Werkstoffen für Hochtemperaturanwendungen rasant gestiegen. Hochleistungskeramiken in ihrer weiterentwickelten Form finden auf Grund ihres hervorragenden Eigenschaftsprofils bereits Anwendung in vielen technischen Bereichen, z. B. als elektrisches und thermisches Isolationsmaterial, Katalysatorträger und Filter. Nicht zuletzt die zunehmende Verknappung der Ressourcen führte zu wachsenden Anforderungen bezüglich spezifischem Gewicht, Hochtemperaturbeständigkeit und E-Moduln in Bereichen der Luft- und Raumfahrt sowie der Energietechnik und der Automobilindustrie. Da monolithische Keramiken über eine intrinsische Sprödigkeit und eine dadurch bedingte geringe Schadenstoleranz verfügen, ist ihr Einsatz als Strukturwerkstoffe limitiert. Die Erweiterung des Anwendungsspektrums von Hochleistungskeramiken kann durch Einbettung von keramischen Fasern erreicht werden. Die Entwicklung solcher faserverstärkten Keramiken ist Bestandteil der Materialforschung zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete. CMCs wird zugeschrieben, die wachsenden Anforderungen erfüllen zu können, da sie die positiven Eigenschaften monolithischer Keramiken (Festigkeit, Hochtemperaturstabilität, Korrosionsbeständigkeit) mit einer höheren Schadenstoleranz und einer damit verbundenen besseren Bruchzähigkeit vereinen. In Bezug auf die Optimierung von CMCs kommt den keramischen Verstärkungsfasern eine wichtige Rolle zu. Es müssen Keramikfasern mit hoher Festigkeit, sehr guter thermischer Stabilität sowie guter Oxidations- und Kriechbeständigkeit eingebracht werden. Idealerweise erfolgt die Herstellung der Fasern über einen kosteneffizienten Prozess. Oxidische Keramikfasern sind für technische Anwendungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie der Energietechnik in keramischen Verbundwerkstoffen von besonderem Interesse. Sie zeichnen sich durch exzellente Eigenschaften wie Hochtemperatur- und Korrosionsstabilität sowie eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit aus. Weiterhin verfügen sie im Vergleich zu Metallen über eine relativ geringe Dichte. Die Verbesserung der Eigenschaften von oxidischen Keramikfasern im Hinblick auf die Kriechbeständigkeit unter gleichzeitigem Erhalt der Festigkeit und damit einhergehender Langzeithochtemperaturstabilität stellt immer noch einen der herausforderndsten Forschungsbereiche auf dem Gebiet der Materialwissenschaften dar. Insbesondere Yttrium-Aluminium-Granat (Y3Al5O12, YAG) ist in diesem Zusammenhang ein attraktives Material. Als einzig thermodynamisch stabile Verbindung des Systems Y2O3/Al2O3 zeichnet es sich durch einen sehr hohen Schmelzpunkt von 1940 °C sowie durch die höchste Kriechbeständigkeit eines Oxids aus. Weiterhin ist es sowohl in reduzierender als auch in oxidierender Atmosphäre chemisch inert. Aus diesem Grund eignet sich Yttrium-Aluminium-Granat hervorragend dafür, die bisher entwickelten Keramikfasern in diesem Bereich zu übertreffen. Trotz intensiver Forschungstätigkeiten konnte die Entwicklung von YAG-Keramikfasern mit hoher Kriechbeständigkeit unter Erhalt der Festigkeit bei mechanischer Beanspruchung bisher nicht realisiert werden. YAG-Keramikfasern verfügen aber zweifellos über ein hohes Potential als Verstärkungsfasern in keramischen Kompositmaterialien. Die vorliegende Arbeit zum Thema „Herstellung und Charakterisierung von hochtemperaturbeständigen Fasern aus Yttrium-Aluminium-Granat“ soll dazu beitragen, neue Lösungswege für die Erweiterung des Anwendungsspektrums von oxidischen Keramikfasern zu beschreiten. Ziel der Arbeit war die Optimierung zuvor entwickelter Spinnsysteme und die anschließende Verarbeitung zu keramischen Fasern. Es wurde ein kostengünstiges Verfahren entwickelt werden, das die Herstellung aus molekulardispersen Spinnsystemen auf wässriger Basis ermöglicht. Die Spinnsysteme genügten in ihren Fließeigenschaften und Stabilitäten den Anforderungen an einen großtechnischen Trockenspinnprozess. Durch die Abstimmung von keramikbildenden Präkursoren und polymeren Spinnadditiven konnten die Eigenschaften der Spinnsysteme optimal eingestellt werden. Durch systematische Variation der Verarbeitungs- und Spinnparameter wurden Bedingungen zur Herstellung von Endlosfilamenten im Pilotmaßstab erarbeitet werden. Diese präkeramischen Fasern („Grünfasern“) wurden durch thermische Behandlung zu Keramikfasern umgesetzt. Das polymere Spinnadditiv wurde in einem angepassten Zwischenschritt pyrolysiert, ohne dabei die Faserstruktur zu zerstören. Die Prozesse und strukturellen Entwicklungen während der thermischen Umsetzung der Grünfasern zu den Keramikfasern wurden mittels adäquater analytischer Methoden aufgeklärt. Es wurden Keramikfasern der Zielzusammensetzung Y3Al5O12 mit Faserdurchmessern unter 20 µm erhalten. Die Zusammensetzung und das Gefüge wurden charakterisiert und der Einfluss der Prozessführung der thermischen Umsetzung und von Sinteradditiven auf die Mikrostruktur der Keramikfasern untersucht.

The demand for innovative and high performance ceramic materials has rapidly increased in the past decades. Advanced high performance ceramics are applied in several technical areas as electric und thermal insulation material, catalyst support and filters. Particularly increasing resource shortages led to growing requirements regarding specific weight, high temperature resistance and E-modulus of materials in aerospace, power engineering and automotive industries. Since monolithic ceramics have an intrinsic brittleness and correspondingly a low damage tolerance, their use as structural materials is limited. The extension of the application scope of high performance ceramics can be achieved by embedding of ceramic fibers. The development of such fiber-reinforced ceramics is part of materials research in order to open new fields of applications. CMC are attributed to meet the requirements, because they combine the positive properties of monolithic ceramics (strength, high temperature resistance, corrosion resistance) with a higher damage tolerance and associated better fracture toughness. Regarding the optimization of CMC, ceramic fibers play an important role. It is indispensable to incorporate ceramic fibers with unique properties such as high strength, high temperature stability as well as oxidation and corrosion resistance. The fiber preparation ideally occurs via a cost-efficient process. Oxide ceramic fibers as reinforcement for CMC are of enormous interest for technical applications in both aerospace and power engineering industry. They exhibit excellent properties such as high temperature and corrosion resistance as well as excellent mechanical stability. Furthermore, compared to metals, they are characterized by a relatively low density. The optimization of the ceramic fiber properties with regard to high creep resistance while maintaining the strength and associated long-term high temperature resistance still represents one of the most challenging areas of research in materials science. Particularly yttrium aluminum garnet (Y3Al5O12, YAG) is an attractive material in this context. YAG is the only thermodynamically stable yttrium aluminum oxide. It is characterized by a very high melting point of 1940 °C and known as the oxide with the highest creep resistance. Furthermore, it is chemically inert under both reducing and oxidizing atmospheres. For these reasons, yttrium aluminum garnet is a promising material to outperform the so far developed ceramic fibers in this area. Despite intensive efforts it has not yet been possible to develop YAG fibers exhibiting a high creep resistance while maintaining the strength under mechanical stress. YAG fibers have a high potential as reinforcing components of CMC. In the present thesis “preparation and characterization of high performance yttrium aluminum garnet (YAG) fibers” a contribution is made to open new approaches for the extension of the application scope of oxide ceramic fibers. The objective of the thesis is the optimization of previously developed spinning systems and their subsequent processing into ceramic fibers. Developing a process, which allows the preparation from molecularly dispersed spinning systems provides a cost-effective procedure for the manufacturing of YAG ceramic fibers. Based on the coordination of ceramic-forming precursor materials (inorganic salts) and polymeric spinning additives, the properties of the spinning systems could be adjusted properly. By systematic variation of the process and spinning parameters, the conditions for the preparation of endless filaments on a technical scale were compiled. These preceramic fibers (“green fibers”) could be converted into ceramic fibers by a thermal treatment. The polymeric spinning additive was pyrolyzed in an adapted intermediate step of the thermal treatment without damaging the fiber structure. The processes and structural developments during the thermal implantation of the green fibers to the ceramic fibers could be elucidated using adequate analytical methods. YAG ceramic fibers were produced with fiber diameters below 20 µm. Both the structure and the composition of the resulting ceramic fibers were analysed.