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Vernickelte Kohlenstoffasern für Aluminiumverbundwerkstoffe
G. Pajonk, H.-D. Steffens, Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, Universität Dortmund
Aluminiumwerkstoffe eignen sich wegen ihres niedrigen spezischen Gewichts bei gleichzeitig
guter Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zum Herstellen von Bauteilen in der Au-
tomobilindustrie und für die Luftfahrt. Verstärkt man die metallische Matrix durch Einlagern
von Fasern, so werden die Zugfestigkeit, der Elastitizitätsmodul und die Warmfestigkeit des
Werkstoffs erhöht. Als Matrixwerkstoffe werden Rein- und Reinstaluminium, Aluminium-
Knet- und Gußlegierungen sowie Al-Sinterpulvermischungen verwendet, die man mit Fasern
aus Glas, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid und Kohlenstoff verstärkt. Abhängig
von Faserart und Faseranteil werden in Faserrichtung Festigkeiten bis zu 2.000 N/mm” er-
reicht, wobei das Optimum der Festigkeit bei einem Faseranteil von ca. 50 Vol% liegt. Die
Festigkeit senkrecht zur Faserrichtung hängt dagegen sehr von der Festigkeit der Matrix sowie
von der Bindung Faser/Matrix ab.
Kohlenstoffasern sind we-
gen ihres niedrigen Herstel-
lungspreises, ihres günsti-
gen Verhältnisses Dichte /
Festigkeit und wegen ihrer
hohen Warmfestigkeit als
Verstärkungskomponenten
besonders gefragt. Erhöhte
Temperaturen, wie sie z.B.
bei der Druckinfiltration
vorliegen, bewirken aller-
dings das Entstehen sten-
gelförmiger Aluminium-
Carbide, die die Zugfestig-
keit des _Faserverbunds
durch Schädigung der Ein-
zelfaser herabsetzen. Trans-
missionseleketronenmikro- „Abb, I: nadelförmige Al,C3-Partikel mit Mikrobeugungsbild
skopische Untersuchungen
der Phasengrenze Alumi-
nium/Kohlenstoff belegen das Entstehen ca. 5* 400 nm? großer, karbidischer Aus-
sscheidungen, die zumeist geneigt zur Faseroberfläche wachsen (Abb. 1). Mit Hilfe der
selektiven Mikroelektronenbeugung konnten diese Partikel als rhomboedrisches Alumi-
niumcarbid vom Typ Al4ıC3z mit den Gitterkonstanten a= 0,3329 nm und c = 2,4948 nm
identifiziert werden. Sie zeigen eine stufenhafte Wachstumsmorphologie und eine ausgeprägte
Zwillingsstruktur, wobei die Kristalle aus Einzelkristalliten von ca. 10 nm bestehen und um
einen Winkel von ca. 55° gegeneinander gedreht sind.
Als brauchbare Maßnahme, um der Degradation der Fasern vorzubeugen und um zugleich
deren Benetzbarkeit zu erhöhen, hat sich das Beschichten der Fasern mit einer 0,5 um -
1,5 um dicken Sperrschicht erwiesen. Metallschichten aus Molybdän, Wolfram, Nickel oder
Kuper wirken als Diffusionssperre und verhindern die Carbidbildung und die Ankerbung der
Fasern.Erste Versuche haben gezeigt, daß Schichten, z.B. aus Nickel, mittels der Arc-PVD-
Technik auf Kohlenstoffasern abgeschieden werden können. Für die experimentellen Arbeiten
standen die Fasern in ungeordneter und mittels Kunstharz fixierter Form als Vliese sowie in
Form von Matten aus gewebten Langfaserbündeln zur Verfügung. Um eine ausreichende
