Herstellung von endlosfaserverstärkten Carbonfaser-Metallmatrix Verbundwerkstoffen über galvanische Matrixabscheidung

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit behandelt einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Kohlefaser-Metallmatrix Verbundwerkstoffen. Aktuelle Verfahren beinhalten einerseits die Verwendung von Metallschmelzen oder das Verpressen und Sintern feiner Pulver. Andererseits dient die Abscheidung von Material aus flüssigen Elektrolyten oder aus der Gasphase zumeist nur als Vorbehandlung für weitere Verfahrensschritte (Heißpressen, „Diffusions-Bonden“). Die resultierenden Nachteile dieser Prozesse ergeben sich durch die temperaturinduzierten thermischen Spannungen und den technischen und finanziellen Aufwand. Die hier vorgestellte Herstellungsmethode beruht auf einem rein galvanischen Prozess und umgeht die genannten Probleme. Im Fokus des Projekts steht die Abscheidung von Nickel auf Carbonfaser-Gewebeschläuchen und - Rovings. Zusätzlich wurden auch Versuche mit Chrom durchgeführt. Zunächst wurde die Vorbehandlung der Carbonfasern für den galvanischen Prozess untersucht. Im Anschluss wurde eine Versuchsreihe mit variierenden Prozessparametern (Stromdichte, Stromprofil, Temperatur und Fluidbewegung) für die Nickelabscheidung durchgeführt. Im weiteren Verlauf wurden „Filament Winding“ Techniken zur Probenpräparation getestet um die Flexibilität der Formgebung und Faserverstärkungsrichtung zu steigern. Die Abscheidung von Chrom auf Carbonfasern konnte ebenfalls umgesetzt werden. Schlussendlich wurden anwendungsorientierte, zerstörende Materialprüfungen durchgeführt um die Versagensmechanismen zu studieren. Dazu zählen eine hydrostatische Druckprüfung und Testläufe auf Raketentriebwerks-Testständen, um die Eignung des Verbundwerkstoffes als Brennkammermaterial für Raketentriebwerke zu eruieren.

This diploma thesis deals with a novel approach to the manufacturing of continuous carbon fiber reinforced metal-matrix composites. On the one hand, current processes include the utilization of molten metals or the processing of fine powders. On the other hand, the deposition of material from liquid electrolytes or from the gas phase mostly serves only as a pretreatment for further process steps (hot pressing, diffusion bonding). The resulting disadvantages of these processes arise on both the process temperature-induced thermal stresses and the technical and financial effort needed. The production method presented here is based on a purely galvanic process and circumvents the problems mentioned. The project focuses on the deposition of nickel on carbon fiber fabric sleeves and rovings. In addition, tests were also carried out with chromium. First, the pretreatment of the carbon fibers for the galvanic process was investigated. Subsequently, a series of experiments with varying process parameters (current density, current profile, temperature and fluid movement) was carried out for the nickel deposition. Subsequently, filament winding techniques were tested for sample preparation to increase the flexibility in shaping and direction of fiber reinforcement. The deposition of chromium on carbon fibers could also be implemented. Finally, application-oriented, destructive material tests were performed to study the failure mechanisms. These include a hydrostatic pressure test and test runs on rocket engine test rigs to determine the suitability of the composite as a combustion chamber material for rocket engines.