Graduiertenkolleg MatCom – ComMat: Hochtemperatur-Oxidationsverhalten keramischer Beschichtungen auf Basis von polymerabgeleiteten keramischen Nanokompositen

Das Graduiertenkolleg 2561 „Werkstoffverbunde aus Verbundwerkstoffen“ wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert und besteht aus 12 Doktoranden, verteilt auf 3 Forschungseinrichtungen: DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI), Technische Universität Darmstadt (TUD) und Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Das Graduiertenkolleg hat die Entwicklung, Charakterisierung und Modellierung von neuartigen Verbundwerkstoffen für die Anwendung bei sehr hohen Betriebstemperaturen jenseits von 1300 °C zum Ziel. Dies soll eine Erhöhung der Betriebstemperatur in Verbrennungsmotoren ermöglichen, um eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Effizienz zu erreichen. Voraussetzung für eine höhere Betriebstemperatur sind Materialien, die den extremen Umgebungsbedingungen standhalten können. Grundidee ist es einen aus zwei Materialsystemen (Verbundwerkstoffe) bestehenden Werkstoffverbund zu entwickeln, wobei jedes Materialsystem seine jeweiligen intrinsischen Vorteile einbringt.

Bei einem der beiden Materialsysteme handelt es sich um polymerabgeleitete keramische Nanokomposite (PDC-NCs), welche als Wärmedämmschichten auf die intermetallischen/metallischen Refraktärmetallsubstrate aufgebracht werden.

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 Projektes ist eine systematische Untersuchung des Hochtemperatur-Oxidationsverhaltens (T ≥ 1300 °C) von PDC-NCs in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung. Dafür wird 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. Die experimentellen Ergebnisse werden durch thermodynamische Modellierung unterstützt, um ein tieferes Verständnis der Oxidationsvorgänge zu erhalten. Abschließend wird die Interaktion der Schichten mit den gewählten Substratmaterialien näher betrachtet.

Weitere Informationen finden Sie auf der GRK-Homepage

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - GRK2561/1