3D Simulation of the Manufacturing Process for Composites with a SiC-matrix

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Die Morphologie und das Verteilungsmuster der Ablagerungen Si, C und SiC sind Herausforderung für die Forschung auf dem Gebiet Herstellung von SiC mit dem Verfahren der chemischen Gasphaseninfiltration (CVI-Verfahren) unter Verwendung vom Methyl-Trichlorsilan (CH3SiCl3, MTS) als Präkursor. Die Morphologie und das Verteilungsmuster sind sehr wichtig für die Eigenschaften des Endprodukts. Auf der Grundlage mehrerer Vorgängerprojekte zur 2D Phasenfeldmodellierung mit dem Verfahren der isothermen Gasphaseninfiltration (ICVI) zur Herstellung von C/C und SiC/SiC Verbundwerkstoffen wurde in den ersten beiden Jahren ein Multi-Phasen-Feld-Modell formuliert, welches die chemische Gasphasenabscheidung von SiC mit Si-Überschuss und/oder mit C-Überschuss beschreibt; die treibende Kraft für die Entstehung der einzelnen Komponenten wird aus thermodynamischen Berechnungen hergeleitet. Nun wird das Modell für die Simulation des bei der industriellen Anwendung weit verbreiteten Verfahrens der chemischen Gasphasenabscheidung mit thermischem Gradienten (TGCVI) durch Einbeziehung der Wärmebilanz unter Berücksichtigung von Schwankungen im Wärmefluß erweitert. Die thermodynamischen und die kinetischen Parameter für das Modell werden experimentell ermittelt, soweit sie nicht durch thermodynamische Berechnungen zugänglich sind. Bei der 3D Multi-Filament-Simulation wird die Parallelisierung durch Gebietszerlegung mit der adaptiven hp-FEM herangezogen. Parallel zu den Simulationen werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Diese werden zwecks Charakterisierung der Mikrostruktur und Optimierung der Prozessparameter im TGCVI-Verfahren implementiert. Die experimentelle Untersuchung der Abscheidung von SiC wird im Labormaßstab vom Forschungsinstitut für Verbundwerkstoffe an der Universität Shanghai (SHU) in China durchgeführt.