Yttrium(-Aluminium)-Silikat als Oxidationsschutzsystem für C/C-SiC-Verbundwerkstoffe: Elektrophoretische Abscheidung, Oxidationskinetik und atomarer Transport

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Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Kohlenstofffaserverbundwerkstoffen (C/C-SiC bzw. C-SiC) bei hohen Temperaturen haben den Anstoß zu der Entwicklung von oxidischen Sauerstoffdiffusionsbarrieren gegeben, welche nach verschiedenen Methoden auf einer unmittelbar auf dem Substrat aufgebrachten Kohlenstoffdiffusionsbarriere aus SiC aufgebracht werden. Die beste Oxidationsschutzwirkung wurde bisher mit elektrophoretisch abgeschiedenen Schichtsystemen auf Mullit-Basis erreicht, welche das Grundmaterial bei isothermer Oxidation über mehrer hundert Stunden jedoch nur bis etwa 1550 °C schützen, indem sie die Oxidationsgeschwindigkeit der SiC-Barriere hinreichend verlangsamen. Um das hohe Potential der Kohlenstoffbasiswerkstoffe auch für den Langzeiteinsatz bei höheren Temperaturen nutzbar zu machen, müssten höherschmelzende Oxidsysteme eingesetzt werden. Für Dauereinsatztemperaturen bis 1700 °C sind die beiden Silikate des Grundsystems Y2O3-SiO2 prinzipiell geeignet. Thermodynamische Rechnungen und experimentelle Untersuchungen lassen erwarten, dass im ternären System Y2O3-SiO2-AI2O3 potentiell geeignete hochschmelzende Glasphasen auftreten, die eine Seite 2 von 51 AI2O3 potentiell geeignete hochschmelzende Glasphasen auftreten, die eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung bewirken würden. Gegenstand des beantragten Vorhabens sind daher die Entwicklung von für die elektrophoretische Abscheidung geeigneten Sol-Gel-Systemen im binären System Y2O3-SiO2 sowie im ternären System Y2O3-SiO2-AI2O3 und die Charakterisierung der Schichten einschließlich ihrer Oxidationsschutzwirkung im isothermen und zyklischen Einsatz. Die physikalisch-chemische Interpretation der Parameter des zu erstellenden kinetischen Modells soll über die Messung der Diffusionskoeffizienten der Konstituenten in den auftretenden Phasen mittels geeigneter stabiler Tracer erfolgen. Endziel des Vorhabens ist die Zusammenfassung der experimentell ermittelten Grundlagendaten in einem vollständigen Modell der (isothermen bzw. der zyklischen) Oxidationskinetik zum Zweck der Lebensdauerprognose der eingesetzten Kohlenstoffbasiswerkstoffe.