Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung effizienter Wege zur Herstellung von SiSiC-Keramiken aus WPC

Siliciumcarbid ist der wichtigste Vertreter der Nichtoxidkeramiken und besetzt nach Aluminiumoxid das größte Feld der technischen Keramiken. Siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SiSiC) ist aufgrund der hohen Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und der auch bei hohen Temperaturen guten mechanischen Eigenschaften ein etablierter Werkstoff für Brennerbauteile, Wärmetauscher oder Komponenten der chemischen Industrie. Hergestellt werden SiSiC-Keramiken in einem mehrstufigen Prozess, der sich in Formgebung, Entbinderung und Siliciuminfiltration unterteilt. Es entsteht eine dichte Keramik, die noch freies Silicium enthält.

Das vorliegende Forschungsvorhaben baut auf eine vorhergehende Machbarkeitsstudie auf, in der WPC-Grünkörper erfolgreich in SiSiC konvertiert wurden. Im dreistufigen Prozess, der sich in Grünkörperformgebung (WPC-Herstellung), Pyrolyse und Silicierung unterteilt, konnten Extrusionsprofile erfolgreich keramisiert werden. Eine unzureichende Homogenisierung der Holzpartikel durch hohe notwendige Holzanteile (90 Gew.-%) führten zu einer unvollständigen Umsetzung zu SiC und einer im Vergleich zu kommerziellen SiSiC-Werkstoffen geringeren Biegefestigkeit (ca. 150 MPa im 4-Punkt-Biegeversuch. Speziell für die Keramisierung optimierte WPC erlauben eine Reduktion des notwendigen Holzanteils und eine verbesserte Compoundierung, sodass die mechanischen Eigenschaften verbessert werden können.

Im neuen Vorhaben soll eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Keramik erzielt werden, sowie die quantitative Beschreibung der Schrumpfung während des Fertigungsprozesses und die Übertragung der Erkenntnisse aus der Extrusion auf ein WPC-Werkstoffsystem für Spritzgussbauteile erfolgen. Zusammen mit der kostengünstigen Herstellung und der Formgebungsvielfalt auch von komplexen Bauteilen können mit dem zu untersuchenden Verfahren SiSiC-Bauteile entwickelt werden, die hinsichtlich Mikrostruktur und Eigenschaften mit herkömmlichen Werkstoffen konkurrieren können.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden effektive Wege zur Herstellung von SiSiC-Keramiken aus WPC untersucht. Hierzu wurden neue WPC-Rezepturen mit dem Fokus auf eine Verbesserung der mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften des Zielwerkstoffes SiSiC entwickelt. Um die Formgebungsvielfalt der Kunststoffverarbeitung vollständig nutzen zu können, war eine Reduktion des Füllstoffgehaltes auf maximal 70 Gew.-% notwendig. Um gleichzeitig die Stabilität des Kohlenstofftemplats nach der Pyrolyse sicherzustellen, wurden alternative thermoplastisch verarbeitbare Matrixmaterialien, die selbst einen Kohlenstoffrückstand aufweisen, eingesetzt. Durch den nun möglichen zusätzlichen Aufbereitungsschritt der Compoundierung konnte eine deutlich verbesserte Dispergierung erzielt werden. Zudem war der Einsatz von feineren Holzpartikeln ohne Bildung von unerwünschten Agglomeraten möglich, was die resultierende Mikrostruktur weiter optimierte.

Insgesamt konnten deutliche Verbesserungen am Material erzielt werden, wie eine bessere Dispergiergüte, Homogenisierung der Mikrostruktur und eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Im 4-Punkt-Biegeversuch wurden mittlere Festigkeiten von 240 MPa erreicht. Im Hinblick auf die Phasenzusammensetzung wurden SiC-Anteile von bis zu 80 Gew.-% erreicht. Die offene Porosität sowie der Restkohlenstoff konnten auf unter 1 % abgesenkt werden.

Neben dem Extrusionsprozess, bei dem qualitativ hochwertige SiSiC-Bauteile hergestellt werden konnten, wurde das Spritzgießen und Spritzprägen angewandt und erste Erfahrungswerte auf diesem Feld gesammelt. Während der Pyrolyse der spritzgegossenen Formkörper ergaben sich Probleme durch Poren und Blasen, sodass auf diesem Feld weiterer Forschungsbedarf besteht.

Die erzielten Forschungsergebnisse dienen als Grundlage für die anwendungsspezifische Umsetzung dieses innovativen Verfahrensweges. Diese Kenntnisse kommen sowohl den in erster Linie zu KMU gehörenden WPC-verarbeitenden als auch Unternehmen der Keramikindustrie zugute.