Keramische Verbundwerkstoffe auf Naturfaserbasis

Naturfasern zeichnen sich auf Grund ihrer evolutionär optimierten hierarchischen Strukturen durch exzellente Festigkeiten und Bruchzähigkeiten aus. Die Nutzung für mechanisch beanspruchte Verbunde , u.a. in faserverstärkten Kunststoffen bereits industriell realisiert, ist somit auch ein interessanter Ansatz für die bekanntermaßen spröden technischen Keramikwerkstoffe. Aktuelle Entwicklungen zielen darauf, biologisch basierte und damit nachwachsende Rohstoffe über biomimetische Prinzipien in werkstofftechnische Lösungen für definiert poröse und dichte Strukturkeramiken umzusetzen. Faserpflanzen wie Flachs und Hanf, aber auch Holzstrukturen bieten werkstofftechnisch und prozesstechnisch attraktive Voraussetzungen für die Entwicklung von biogenen Kohlenstoff-Verbunden und biogenen Siliciumcarbid-Verbunden Hintergrund einer technischen Nutzung sind mechanisch effiziente Verbundstrukturen, eine werkstofftechnisch attraktive Kohlenstoff-Ausbeute, erneuerbare Rohstoffquellen und kosteneffektive Herstellungsverfahren. Prozesstechnische Grundlage ist eine Konversion der bio-organischen Strukturen in zunächst weitgehend amorphe Kohlenstoff-Strukturen unter Beibehaltung der Zell- und Faser-Morphologien. Am Beispiel von Flachs wird die Herstellung dichter keramischer Composite diskutiert. Dabei konzentriert sich der Beitrag auf die Anwendung pulvertechnologischer Fertigungsverfahren, basierend auf der Pyrolyse / Carbonisierung der Pflanzenstrukturen und der Verarbeitung definiert erzeugter biogener Kohlenstoff-Kurzfasern. Eine breite Palette von Formgebungsverfahren ermöglicht eine Vielfalt von Halbzeuggeometrien. Durch Reaktions-Silicieren sind Si-SiC-Werkstoffe mit in situ - eingelagerten C-Strukturen herstellbar. Die entwickelten biogenen C-Werkstoffe erbringen bei deutlich geringeren Dichten von 1,4 bis 1,5 g/cm3 die Festigkeit typischer Standard-Graphit-Qualitäten mit Dichten im Bereich 1,8 g/cm 3. Die mechanischen Eigenschaften biogener Si-SiC-C-Verbunde erreichen bei vergleichbaren Dichten das Niveau kommerzieller Si-SiC-Werkstoffe. An der Nutzung rohstoffspezifischer Vorteile für Anwendungen als Friktionswerkstoffe wird gearbeitet..

The synthesis of a natural flax fiber composite is described as an example for the development of biomorph ceramic composites. The synthesis consists of pyrolysis of the flax fibers to produce a porous carbon body which is shaped, then carbonized, and finished. The pyrolysis preserves the morphol. of the fibers. Carbonization at temps. >1000.degree. leads to a sintering and contacting of the carbon fiber structure. Such carbon fiber composites have a high mech. strength. Addnl., the synthesis, mech. properties, and application examples of biomorph SiC composites are described.