Herstellung endlosfaserverstärkter Carbonfaser-Metallmatrix Verbundwerkstoffe aus TFP-Faservorformlingen

Abstract

Metallmatrix Verbundwerkstoffe (MMC) sind eine innovative Klasse an Materialien, die ein breites Spektrum an mechanischen und thermischen Eigenschaften bieten, welche für die hohen Anforderungen in High-Tech-Industrien, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, interessant sind. Die Entwicklung und Produktion solcher Materialien stellen jedoch erhebliche Herausforderungen dar, vor Allem wenn es um die Herstellung komplexer 3D-Formen und Endlosfaserverstärkung geht.In der vorliegenden Dissertation wurden endlosfaserverstärkte MMC durch elektrochemische Abscheidung von Nickel auf Faservorformlingen hergestellt. Dieser Herstellungsprozess zielt darauf ab, die Vorteile des "tailored fiber placement" (TFP) mit dem Galvanoformen zu kombinieren. Durch die Verwendung geeigneter Faservorformlinge und 3D-gedruckten Probenhaltern, kann eine hohe Designfreiheit für 3D-geformte MMC-Komponenten ermöglicht werden. Dies erlaubt eine endkonturnahe Herstellung von Bauteilen, erleichtert die Nachbearbeitung und führt zu einer effizienteren Nutzung der Kohlefasern.Die Parameter für die elektrochemische Abscheidung wurden untersucht und für einen hohen Faservolumenanteil bei minimaler Porosität optimiert. Neben Verbesserungen am Versuchsaufbau und der Anwendung einer geringen Stromdichte, wurde eine intensive Elektrolytbewegung als besonders entscheidend identifiziert. Durch den unterstützenden Einsatz von Ultraschall während der Abscheidung, konnten Proben mit einem Faservolumenanteil von >40 % mit nur 4 % Porenvolumen hergestellt werden. Die Materialeigenschaften der MMCs wurden durch Impulsanregungstests und uniaxiale Zugversuche untersucht und mit Vergleichsproben verglichen. Im Vergleich zu galvanogeformten Nickelproben, die im selben Elektrolytbad ohne Faserverstärkung hergestellt wurden, konnten die spezifische maximale Zugfestigkeit und der spezifische dynamische E-Modul deutlich verbessert werden.Um zu demonstrieren, dass die Vorteile des Herstellungsprozesses effektiv genutzt werden können, wurden Bauteile für zwei verschiedene Anwendungen hergestellt. Es wurden Strukturbauteile zur Fixierung von Hochtemperaturisolationen hergestellt und die Passgenauigkeit in der realen Einbausituation getestet. Zunächst wurde das Bauteil formgetreu nachgebaut, anschließend wurde das Design für den Herstellungsprozess adaptiert. Darüber hinaus wurden MMC-Bleche mit Kühlkanälen hergestellt, die eine Durchlässigkeit für Flüssigkeiten oder Gase aufweisen. Die Einstellung der Durchmesser der Kanäle wurde untersucht, schließlich wurden Bleche in einem Abgasstrahl eines Raketentriebwerks getestet, um einen „Transpiration Cooling“ Effekt zu demonstrieren.

Metal matrix composites (MMC) are innovative materials that offer a wide range of mechanical and thermal properties that are suitable for high placed demands in high-tech industries, particularly in aerospace. However, the development and production of such materials pose significant challenges, especially when it comes to producing intricate 3D shapes and the utilization of continuous fiber reinforcement.In this thesis, continuous carbon fiber reinforced nickel was produced by electrodeposition of nickel on fiber preforms. This manufacturing process aims to combine the advantages of “tailored fiber placement” (TFP) with galvanoforming to create continuous fiber reinforced MMCs. By using suitable shaped fiber preforms and 3D-printed specimen retainers, a high design freedom for MMC components can be achieved. This allows for a near net shape production of components and reduces the postprocessing, which results in a more efficient utilization of carbon fibers.The parameters for the electrochemical deposition have been investigated and optimized for high fiber volume content and minimum porosity. Apart from improvements on the experimental setup and applying a low current density, an intensive movement of the electrolyte has been identified as particularly crucial. Specimen with a fiber volume content of >40 % and only 4 % pore volume have been achieved with the additional use of ultrasonic agitation. Material properties of the carbon fiber reinforced MMCs were investigated by impulse excitation and uniaxial tensile tests and compared to pure nickel and commercial materials. Improved specific ultimate tensile strength and specific dynamic Young's modulus were achieved compared to electroformed pure nickel samples produced in the same electrolyte bath without fiber reinforcement.To demonstrate that the benefits of the manufacturing process can be utilized effectively, test components were produced for two different kinds of applications. Breadboard samples of structural elements for high temperature applications were manufactured and installed in the actual installation situation for testing purposes. Initially, the component was replicated in accordance with the original design, and in a subsequent step, the design was adapted for the examined manufacturing process. Furthermore, MMC sheets with cooling channels were built that show a certain permeability to liquids or gases. The adjustment of channel sizes through electroplating was investigated. Ultimately the sheets were tested in a liquid rocket engine exhaust jet to demonstrate a transpiration cooling effect.