Fabrication and characterization of carbon fiber-reinforced nickel composites by electroplating

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt einen innovativen Ansatz zur Herstellung endlosfaserverstärkter Carbonfaser Nickelmatrix Verbundwerkstoffe. Gebräuchliche Verfahren umfassen das Verpressen und Sintern feiner Pulver oder die Verwendung von Metallschmelzen, welche die Nachteile der temperaturinduzierten thermischen Spannungen mit sich bringen. Aktuell dient die Abscheidung von Material aus flüssigen Elektrolyten oder aus der Gasphase zumeist nur als Vorbehandlung für weitere Verfahrensschritte, und resultieren in erheblichem technischen und finanziellen Aufwand. Die genannten Probleme sollen mit der in dieser Arbeit vorgestellten Herstellungsmethode, beruhend auf einem rein galvanischen Prozess, umgangen werden. Im Fokus des Projekts steht die Abscheidung von Nickel auf via TFP flächig präparierten Carbonfaserrovings, sowie die Präparation von Proben für die mechanische Charakterisierung des entstehenden Verbundwerkstoffs.Zunächst wurde die Effizienz der bestehenden Galvanikanlage bei verschiedenen Stromprofilen untersucht. Im Anschluss wurde eine Versuchsreihe mit variierenden Prozessparametern (Stromstärke, Stromprofil, Fluidbewegung, Ultraschalleinwirkung) für die Nickelabscheidung auf den Carbonfaserproben durchgeführt. Die Abscheidung wurde vor allem durch gepulste Durchströmung der Proben mit Elektrolyt und Ultraschalleinwirkung positiv beeinflusst, sodass eine kohärentere Matrix und ein höherer Anteil an beschichteten Fasern erreicht werden konnte. Ein positiver Einfluss von PC oder PRC konnte nicht festgestellt werden. Parallel zu dieser Versuchsreihe wurde der Einfluss der Kontaktierung der Faserproben untersucht, wobei keine Verbesserung durch die Kontaktierung eines gesteigerten Faseranteils von über 95%, erreicht wurde. Um Verbundwerkstoffproben für mechanische Tests zu produzieren, wurde sich im letzten Schritt des Herstellungsprozesses auf die Optimierung der entstehenden Form konzentriert. Durch das Vereinigen nebeneinander gestickter Rovings zu einem einzigen Faserbund konnten flachere, rechteckige Proben produziert werden.

This thesis deals with an innovative approach to the production of continuous carbon fiber reinforced nickel matrix composites. Standard methods include the pressing and sintering of fine powders and the use of molten metals, which lead to temperature-induced thermal stresses. Currently, material deposition from liquid electrolytes or the gas phase mostly serves as a pretreatment for further process steps, resulting in considerable technical and financial effort. These problems are to be circumvented with the manufacturing method presented in this work, based on a purely galvanic process. The focus of this project is the deposition of nickel on planarly prepared carbon fiber rovings using tailored fiber placement and the preparation of samples for mechanical characterization of the resulting composite material.First, the current efficiency of the existing electroplating system was investigated at different current profiles. Subsequently, a series of tests with varying process parameters (current intensity, current profile, electrolyte perfusion, ultrasonic treatment) was carried out for nickel deposition on the carbon fiber samples. The deposition was positively influenced mainly by a pulsed electrolyte flow through the samples and ultrasonic treatment, resulting in a more coherent matrix and a higher percentage of coated fibers. A positive influence of PC or PRC could not be detected. Parallel to this series of experiments, the influence of contacting the fiber samples was investigated. The assumption of a more holistic coating of the fibers by optimized contacting, realized by contacting an increased fiber content of more than 95%, could not be confirmed. In order to produce composite samples for mechanical testing, the final step of the manufacturing process focused on optimizing the resulting shape. By uniting the side by side stitched rovings into a single fiber bundle, flatter, rectangular specimens could be produced.