Abgeschlossenes Förderprojekt

Inhärent sicherer und energieffizienter LSI-Prozess (ISE-LSI)

Motivation

Bremsscheibe, SiC
© SGL-Brembo/ CeramTec
PKW-Bremsscheibe aus C/SiC (links) und komplexe Formteile aus SiC (rechts)

Siliziumcarbid-basierte Werkstoffe stehen neben wenigen, deutlich teureren Materialien an der Spitze der Werkstoffskala. Technisch interessant sind sie aufgrund ihrer guten Hochtemperatureigenschaften, hohen chemischen Beständigkeit, guten mechanischen Eigenschaften und hohen Wärmeleitfähigkeit. Sie werden in der Fluidik, Wärmetechnik und Friktionstechnik eingesetzt, insbesondere wenn ungünstige Umgebungsbedingungen vorhanden sind. Bei maximaler Härteanforderung, Einsatztemperatur und Wärmeleitfähigkeit gehört SiC jedoch zu den Keramiken mit einer sehr ungünstigen CO2-Bilanz. Der LSI-Prozess (Liquid Silicon Infiltration) nutzt die Infiltration einer Si-Schmelze in eine poröse Preform, um weitgehend dichte SiC-Komposite bei moderaten Temperaturen herzustellen, z. B. SiSiC oder C/SiC.

Zielsetzung

REM-Aufnahme, Cross-Section-Polishing, SiC-Probe, 3D-Modell
© Fraunhofer-Zentrum HTL
REM-Aufnahme einer mittels Cross-Section-Polishing präparierten SiC-Probe (links) und Modellstruktur als vernetztes 3D-Modell (rechts)

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines LSI-Prozesses, der gleichzeitig inhärent sicher und energieeffizient ist. Das Prozessverständnis sollte grundlegend verbessert, der Energiebedarf deutlich reduziert werden. Mit dem verbesserten Prozess sollten neue SiSiC und C/SiC-Bauteile konzipiert werden.

Ergebnisse

Temperaturbestimmung, Grauwertverteilung, LSI-Prozess, 3D-Computertomografie
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Temperaturbestimmung über die Grauwertverteilung im Kern einer Probe während des LSI-Prozesses (links) und 3D-Computertomografie einer infiltrierten Probe (rechts)

Der LSI-Prozess wurde an den ThermoOptischen Messanlagen (TOM) des HTL in situ untersucht. Wesentliche Messgrößen sind:

  • Gewichtsaufnahme während der Siliziuminfiltration
  • Bewegung der Infiltrationsfront
  • Wärmeentwicklung durch SiC-Bildung
  • Benetzungseigenschaften der Siliziumschmelze
  • Formänderungen der Preform aufgrund von inneren Spannungen

Die Messdaten wurden als Eingangsdaten für eine Computersimulation des LSI-Prozesses genutzt, mit der die Prozessparameter optimiert wurden. Parallel dazu wurden die Mikrostrukturen der Keramiken analysiert, im Computer generiert und die Anwendungseigenschaften simuliert. Diese Simulation diente dazu, das Potenzial der SiC-Keramiken auszutesten.

Projektdaten

Projektlaufzeit 15.06.2011 - 14.06.2014
Zuwendungsgeber Bayerische Forschungsstiftung
Fördersumme HTL 500.000 Euro
Projektpartner Fraunhofer-Zentrum HTL
Brembo SGL Carbon Ceramic Breaks
CeramTec
Projektkoordination Fraunhofer-Zentrum HTL
Projektleitung am HTL Jens Baber