Kohlenstofffaserverstärkte SiC-Keramiken für Leichtbau-Bremsscheiben

Die ökologische und ökonomische Notwendigkeit den Fahrzeugflottenverbrauch zu minimieren und Schadstoffemissionen zu senken machen die Entwicklung von Leichtbauweisen zu einer Kernkompetenz der Automobilindustrie. Neben den Differential- und Integralbauweisen im Karosseriebau und der Motorentechnik gewinnen Verbundbauweisen zunehmend an Bedeutung und machen damit die Werkstoff- und Fertigungstechnologien zu einem wesentlichen Treiber automobiler Innovationen. Neben maßgeschneiderten Schichtverbunden wird auch immer häufiger über den Einsatz von Faserverbundbauweisen nachgedacht, da die intelligente Kombination unterschiedlicher Werkstoffe mit geringem spezifischen Gewicht ein besonders hohes Potential aufweist leistungsfähige Leichtbaustrukturen zu generieren. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe ist allerdings meistens mit einem hohen fertigungstechnischen Aufwand verbunden, so dass die Serieneinführung der Verbundwerkstoffe in der Praxis oftmals an dem hohen Kostendruck der Automobilindustrie zu scheitern droht. Für eine nachhaltige Etablierung dieser Werkstoffklasse im automobilen Umfeld sollten neben der Gewichtsersparnis noch weitere Vorteile gegenüber dem zu substituierenden monolithischen Werkstoff erkennbar sein. In dieser Arbeit wird eine kohlenstofffaserverstärkte Siliziumcarbidkeramik vorgestellt, die den Grauguss als Bremsscheibenwerkstoff ersetzen soll. Neben einem geringeren spezifischen Gewicht bietet dieser Werkstoff eine wesentlich höhere thermische und tribologische Beständigkeit, so dass zu einer erhöhten Leistungsfähigkeit und Fadingstabilität des Bremssystems noch eine „life-time“- Anwendung der Bremsscheibe in Aussicht gestellt werden kann. Eine zentrale Fragestellung für eine erfolgreiche Serienführung dieses Verbundwerkstoffes ist die Preisgestaltung des Endbauteils im Vergleich zum aktuell eingesetzten Grauguss. Dazu werden in dieser Arbeit wirtschaftliche und effiziente Fertigungstechnologien für faserverstärkte keramische Bauteile entwickelt, mit dem Ziel möglichst geringe Taktzeiten für die einzelnen Schritte der Fertigungskette – von der Masseaufbereitung über die Formgebung bis zur Hochtemperaturbehandlung – zu erzielen. Neben der Siliziumschmelzinfiltration als vielversprechende Technologie zum endkonturnahen Aufbau der keramischen Matrix wird als neuer Ansatz die Sheet Moulding Compound (SMC) – Technologie zur Aufbereitung faserverstärkter keramischer Massen eingesetzt. Diese Technologie erlaubt die maßgeschneiderte Kombination von Kurz- und Langfasern und somit ein optimiertes Werkstoffdesign für thermisch und tribologisch hochbelastete Strukturbauteile. Zudem kommt ein Granulationsverfahren zum Einsatz, das eine reproduzierbare Verarbeitung von Kurzfaserbündeln möglich macht. Ein optimiertes Warmfließpressverfahren sorgt nach der Masseaufbereitung für die endkonturnahe Abformung komplexer integraler Bauweisen in kurzen Taktzeiten. Die hohe Formhaltigkeit der anschließenden Hochtemperaturbehandlung mittels Pyrolyse und Siliziumschmelzinfiltration minimiert die Endbearbeitung und eröffnet weiteres Potential für Kosteneinsparungen. Die Leistungsfähigkeit der Verbundkeramik wird im Hinblick auf den späteren Einsatz vor allem bezüglich der tribologischen und mechanischen Eigenschaften überprüft.