Oberflächenmodifikation von Füllstoffen in polymerabgeleiteten Keramiken

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Füllstoff-vorbehandlungsmethoden auf unterschiedliche strukturelle und mechanische Eigen-schaften von polysilsesquioxanabgeleiteten Keramiken mit SiC-Füllstoffpartikeln.<br />Weiters sollten die relevanten Prozessparameter für die Probenherstellung identifi-ziert und optimiert werden. Die Oberflächenmodifikationen der Füllstoffe umfassten die Behandlung der Füllstoffoberflächen mit verschiedenen Haftvermittlern (Silanen und organischen Säuren) sowie thermische Behandlungsmethoden.<br />Die Probenherstellung verlief über einen Warmpressschritt bei der das Polymer-Füllstoffgemisch thermisch zu kompakten Grünkörpern verarbeitet wurde, welche dann über einen Pyrolyseschritt zu amorphen Keramiken umgewandelt wurden. Die drei Hauptparameter der Grünkörperherstellung waren dabei: der Polymervolumen-anteil im Gemisch, der Druck während des Warmpressvorganges und die Partikel-größe des SiC-Füllstoffes. Der Einfluss der einzelnen Parameter auf die relative Gründichte wurde mit Hilfe eines statistischen Versuchsplans und entsprechender Software untersucht.<br />Durch die Verwendung von relativ Grobkörnigem Füllstoff (d50: 1,6µm), einem hohen Polymervolumensanteil (60 Vol. %) und einem mittleren Warmpressdruck (60 MPa) konnten Grünkörper mit relativen Dichten um die 96 % hergestellt werden.<br />Der Einfluss der unterschiedlichen Füllstoffvorbehandlungsmethoden auf die Festig-keit des resultierenden Materials im Grünzustand wurde im 3-Punkt-Biegeversuch ermittelt. Dabei wurde für die mit Carbonsäuren vorbehandelten Probensysteme eine deutliche Verschlechterung der Grünfestigkeit gegenüber dem unbehandelten Referenzsystem festgestellt.<br />Für das Probensystem mit silanisiertem Füllstoff sowie für die thermisch Vorbehandelten Systeme konnte hingegen eine leichte Verbesse-rung der Festigkeit sowie eine deutliche Verbesserung der Reproduzierbarkeit fest-gestellt werden. Das pyrolysierte Material zeigte hinsichtlich der Rohdichten keine signifikanten Un-terschiede für die unterschiedlichen Füllstoffvorbehandlungsmethoden.<br />Für die Proben mit silanisiertem Füllstoff, sowie die thermisch im Vakuum vorbe-handelten Proben konnten Verbesserungen der Festigkeiten (ermittelt mittels 4-Punkt-Biegeversuch) ermittelt werden.<br />Weiters wurden Untersuchungen zu Härte und Elastizitätsmodul durchgeführt bei denen sich herausstellte das HV10 Werte für die silanisierten Proben leicht über der unbehandelten Referenz zu finden waren während die Restlichen Probensysteme niedrigere Werte lieferten.<br />

The goal of this work was to investigate the influence of different filler pre-treatments on resulting structural and mechanical properties of polymer-derived ceramics with SiC filler particles. Also the relevant process parameters were identified and opti-mized. Surface alteration included treatment with several types of coupling agents (silanes and organic acids) as well as thermal treatments. Samples were produced by warm-pressing of the polymer-filler mixtures with a sub-sequent thermal conversion step. Three main process parameters of the warm-pressing method were investigated: the polymer volume content of the mixture, the pressure during warm-pressing, and the particle size of the silicone carbide filler particles. An assessment of the respective influence of each parameter was ob-tained by a multi-dimensional experimental design approach ("design of experi-ments", DoE), using the "Essential Experimental Design" software package. The resulting composite's density was chosen as characteristic output parameter. Green densities around 96 % could be obtained by using coarse fillers (d50: 1.6 µm), high polymer volume contents (60 Vol. %), and medium compaction pressures (60 MPa).<br />The influence of the different filler pre-treatment methods of the green strength was optained with 3-point-bending tests. It could be observed that filler pre-treatment with organic acids had a very negative influence on the green strength of the subsequent samples whilst silanisation and thermal treatments have positive consequences for the green strength especially in terms of reproducibility. The pyrolysed bulk material showed no significant differences for the different filler pre-treated samples. For the strength of the pyrolysed material (determined with 4-point-bending tests) slight improvements for the samples with silanised as well as for the high tempera-ture (in vacuum) treated filler could be observed.<br />Furthermore investigations of the Hardness indicated improvements for the silanised samples whilst all other pre-treated samples where below the untreated reference material.