Entwicklung von SiSiC-Strukturkeramiken aus Reaktionsharzbeton

Die quasi schwindungsfreie Herstellung von siliciumfiltriertem Siliciumcarbid (SiSiC) prädestiniert diesen Werkstoff für die Produktion komplexer und großvolumiger keramischer Bauteile. In der Praxis scheitert jedoch die Fertigung derartiger Komponenten oftmals, was vor allem auf prozesstechnische Unsicherheiten und hohe gerätetechnische Aufwendungen zurückzuführen ist. Der Fokus der vorliegenden Forschungsarbeit liegt deshalb auf der Schaffung von wissenschaftlich-technischen Voraussetzungen für die Entwicklung und Herstellung derartiger Strukturkeramiken, die einen hohen Grad an Prozesssicherheit sowie Reproduzierbarkeit aufweisen und auch im ökonomischen Wettbewerb mit anderen Technologien bestehen können. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Adaption von Produktionsprozessen, wie etwa die Fertigung von Reaktionsharzbetonen, an die keramische Formgebung. Hierbei wird ein Reaktionsharzbeton, welcher auf einer Mischung eines polymeren Bindemittelsystems und SiC-Partikeln basiert, drucklos in offene Formen gegossen und gehärtet. Auf dieses Weise hergestellte Grünkörper lassen sich anschließend durch einen Pyrolyseschritt und eine Flüssigsilicierung in SiSiC überführen. Diese Gießtechnik gewährleistet die einfache Umsetzung von großen und komplexen Komponenten, die auch Hinterschneidungen und große Wandstärkeunterschiede aufweisen können. Neben der Entwicklung der Formgebungsmethode werden in dieser Arbeit ebenfalls die mechanischen Eigentschaften der resultierenden Keramiken diskutiert und mögliche Anwendungen am Beispiel eines Radialpumpenlaufrades demonstriert.

The non-shrinking property of silicon-infiltrated silicon carbide (SiSiC) makes it ideal for the production of larger and complex shaped ceramic components. However, its industrial realisation often fails due to the high level of manufacturing expenditure, based on process-related uncertainties and high device-related expenses. The focus of this thesis is the creation of scientific and technical requirements for the development of innovative manufacturing processes for such structural ceramics. These have to guarantee a high degree of process reliability and reproductibility as well as to hold its ground in the economic competition with other technologies. The crucial issue is the implementation of polymer concrete casting techniques on ceramic moulding during the manufacturing process. Hereby, a polymer concrete formation consisting of a mixture of SiC powders and a special binding agent was developed. This formation can be casted in an open mold without pressure followed by a curing stage. After curing, the polymer concrete can be converted into SiSiC by a pyrolisis and a reaction bonding process with liquid silicon. This casting technique enables the easy production of large and complex shaped components especially with undercuts and wall thickness differences. In addition to the production method, this work also discusses the mechanical properties of the resulting ceramics and demonstrates possible applications with a realisation of a ceramic radial flow pump impeller.