Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde

Projekt 5: Hochtemperatur-Oxidationsverhalten keramischer Beschichtungen auf Ba-sis von polymerabgeleiteten keramischen Nanokompositen

Polymerabgeleitete keramische Nanokomposite (engl. Polymer-Derived Ceramic Nanocomposites PDC-NCs) zeichnen sich durch eine attraktive Kombination von Hochtemperatureigenschaften (hohe thermische Stabilität, Selbstheilungsfähigkeiten und geringe intrinsische Wärmeleitfähigkeit) aus, was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für thermische Schutzschichten im Einsatzbereich jenseits von 1300 °C macht. Das Oxidationsverhalten, welches bei der Beurteilung und Auswahl von Materialien für thermische Schutzschichten von zentraler Bedeutung ist, wurde bisher jedoch noch nicht systematisch untersucht. Die Schutzfunktion beruht bei siliziumbasierten PDC-NCs im Hochtemperaturbereich auf einer schützenden SiO2-Deckschicht. Jedoch führt die Präsenz von Wasserdampf in der Umgebungsatmosphäre zu einer Verdampfung der schützenden SiO2-Schicht durch Bildung von volatilem Si(OH)4. Durch Variation der chemischen Zusammensetzung kann das Oxidationsverhalten von PDC-NCs gezielt beeinflusst und verbessert werden.

Ziel des Teilprojektes 5 ist eine systematische Untersuchung des Hochtemperatur-Oxidationsverhaltens (T ≥ 1300 °C) von PDC-NCs in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung. Dafür wird in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten 1 und 2 die Zusammensetzung der polymeren Präkursoren variiert und der Einfluss auf die Oxidationskinetik und die Mikrostruktur der gebildeten Oxidschichten untersucht. Zunächst werden Bulk-Materialien in trockenen Atmosphären betrachtet. Die Untersuchungen werden im weiteren Verlauf auf das Oxidationsverhalten in Atmosphären mit erhöhter Luftfeuchtigkeit und das Verhalten von Schichten aus PDC-NCs ausgeweitet. Abschließend wird die Interaktion der Schichten mit den gewählten Substratmaterialien näher betrachtet.

Die experimentellen Ergebnisse werden durch thermodynamische Modellierung in Kooperation mit Teilprojekt 11 unterstützt, um ein tieferes Verständnis der Oxidationsvorgänge zu erhalten. Zudem sind die Ergebnisse Basis für die Beurteilung des thermomechanischen Verhaltens (Teilprojekt 4), der Betriebsfestigkeit (Teilprojekt 6)  und der Korrosionsbeständigkeit (Teilprojekt 7) der thermischen Schutzschichten.