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Verbundprojekt "Mechanisch hochbelastbare Metalle - CarboMetal"

Einzelprojekt: Erzeugung lokaler CNT-verstärkter Verbundstrukturen. Schlussbericht, Bearbeitungszeitraum vom 01.07.2009 bis 31.12.2012
 
: Fux, Volker; Berger, Andrea; Schmied, Sebastian; Großmann, Holger

:
Fulltext (PDF; )

Dresden: Fraunhofer IWS, 2013, 66 pp.
Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF
03X0057F; CarboMetal
German
Report, Electronic Publication
Fraunhofer IWS ()
Dispergierung; faserverstärkter Verbundwerkstoff; Ni-Legierung; Kohlenstoffnanoröhrchen; Legierungselement

Abstract
Das Vorhaben des Einbringens von CNT in Metallschmelzen zeigte sich im Verlauf der Projektbearbeitung als sehr anspruchsvoll. Eine wichtige Herausforderung ist die Vereinzelung der CNT. Nach den in Auswertung der Versuche gewonnenen Erkenntnissen, spielt aber die Art und Weise der umgesetzten Dispergierung (Direktzugabe, Vordeponieren, mit Pulver vormischen) eine untergeordnete Rolle. Als primäre Kriterien erweisen sich die Benetzung zwischen Schmelze und CNT sowie die in den untersuchten Al- und Ni-Basislegierungen vorliegende Löslichkeit von C in den Schmelzen. Mit letzterer verbunden ist auch die Beschleunigung einer Phasenbildung zwischen C und der Al-Matrix. Bei Al-Basis-Schmelzen wirkt sich der Sauerstoffeinfluss (über Atmosphäre und Schmelzgut eingebracht) in Form von Oxidhäuten bzw. dispergierten Oxidteilchen negativ auf eine erfolgreiche CNT-Verteilung aus (CNT und CNT-Agglomerate finden sich häufig mit Oxidteilchen als Tiegelrückstand wieder). Mit Al-funktionalisierte CNT zeigen zwar bei der Zugabe eine bessere Benetzung, verlieren diese aber nach dem Kontakt mit der Schmelze wieder. Dabei bleibt das Verhältnis zwischen einzeln funktionalisierten CNT und funktionalisierte CNT-Agglomeraten bei den zugegebenen CNT-Volumina offen. Der Weg über mit Al-funktionalisierte CNT zeigt zwar einen kurzen positiven Effekt beim Kontakt mit der Schmelze, danach geht diese Schicht sehr schnell verloren und die CNT stehen quasi wie im Ausgangszustand der Metallschmelze gegenüber. Eine Benetzungsverbesserung durch die Zugabe von benetzungsfördernden Legierungselementen (Si, Ti) in die Al-Schmelze konnten nicht festgestellt werden. Eine Löslichkeit der Ni-Schmelze gegenüber den CNT ist von vornherein gegeben. Diese Löslichkeit kann durch Vorlegieren mit C zwar reduziert bzw. unterbunden werden, die Benetzung der CNT verschlechtert sich jedoch parallel dazu und verhindert vermutlich eine Dispergierung der CNT. Die unveränderten Festigkeitswerte sowie der REM-Befunde der Bruchflächen erbringen keinen Hinweis auf eine erfolgreiche Dispergierung. Die Ergebnisse der Versuche zur Herstellung von CNT-verstärkten MMC über die zusätzlich aufgenommene umformtechnische Route bestätigen die prinzipielle Machbarkeit dieser Methode. Analog den Ergebnissen der pulvermetallurgischen Verfahren können bei Vermeidung metallurgischer Reaktionen die CNT als Verstärkungsphasen nutzbar gemacht werden. Gegenüber dem unverstärkten Al konnten durch die Zugabe von max. 0,5 % CNT Festigkeitssteigerungen bis über 30 % erreicht werden. Anders als bei der pulvermetallurgischer Route begrenzen sich jedoch die zugegebenen Volumenanteile an den Verstärkungsphasen, da für einen sicheren Verbund der mit CNT-beschichteten Ausgangsfolien ein bestimmter Anteil an freier metallischer Oberfläche notwendig ist. Sind die aufgetragen Schichten aus Nanopartikeln zu dick, kann ein fehlerfreies Verwalzen der Einzelfolien nicht erfolgen. Durchgeführte Oberflächenmodifikationen zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche (durch Bürsten bzw. Loch-Struktur) erbrachten keine signifikanten Verbesserungen des Verhältnisses von CNT und Matrix. Ein Vergleich mit durch alternativen Nanopartikeln verstärktem Al-Proben lässt aber erkennen, dass der durch die CNT bei dieser Methode wirksam werdende Verstärkungsmechanismus ausschließlich auf dem Dispersionshärteeffekt beruht und sich dadurch von der Wirkung alternativer Nanoteilchen nicht unterscheidet.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-311639.html