Herstellung von faserverstärkten Leichtmetallen aus thermokinetisch beschichteten Faserhalbzeugen

Faserverstärkte Leichtmetalle stehen seit über vier Jahrzehnten im Interesse von Forschung und Entwicklung, konnten sich jedoch aufgrund der aufwendigen Herstellungsverfahren und der Notwendigkeit des Einsatzes von teuren Spezialfasern oder keramisch beschichteten Fasern nur in begrenztem Umfang industriell durchsetzen. Die Probleme und Herausforderungen hinsichtlich der chemischen und physikalischen Verträglichkeit von Faser und Matrix sowohl während des Herstellprozesses als auch unter den späteren Einsatzbedingungen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (Metal Matrix Composite: MMC) sind bei weitem noch nicht umfassend gelöst worden. Die mechanisch besonders leistungsfähigen und im Vergleich zu Aluminiumoxidfasern kostengünstigen Kohlenstofffasern sind aufgrund ihrer stark anisotropen Wärmedehnung speziell in langdehnenden Aluminiumlegierungen thermophysikalisch ausgesprochen inkompatibel. Bei Herstellprozessen für MMC aus einer metallischen Flüssigphase kann dies zu starken prozessbedingten Eigenspannungen führen. In dieser Arbeit wurde daher die Verfahrensroute der schnellen thixotropen Formgebung von aluminiumbeschichteten Faserstrukturen eingesetzt. Diese Verfahrensroute erlaubt die Verarbeitung einer Reihe moderner und leistungsfähiger Verstärkungsfasern, einschließlich der Kohlenstofffaser, innerhalb sehr kurzer Taktzeiten ohne oder allenfalls mit minimaler chemischer Wechselwirkung zwischen Faser- und Matrix an den inneren Grenzflächen. In einem neuen Ansatz wird auf die gezielte Herstellung von Faserhalbzeugen, so genannte Prepregs eingegangen, wobei Faserrovings bzw. Fasertapes unter mechanischer Vorspannung verstreckt und simultan mit der metallischen Matrix beschichtet werden. Von dem simultanen Wickeln und Beschichten mit Verfahren des thermischen Spritzens, auch thermokinetische Beschichtungsverfahren genannt, verspricht man sich Halbzeuge mit wesentlich besserer Spannungsgleichverteilung im Multifilamentstrang beziehungsweise in der gesamten eingebrachten Faserstruktur. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Infiltration des Matrixmaterials in die Verstärkungsstrukturen schon während des Beschichtungsvorgangs, um bei der anschließenden Verdichtung der Prepregs möglichst geringe Fließwege des Matrixmaterials nutzen zu können. Weiterhin werden verschiedene Fasertypen hinsichtlich ihrer Eignung zur Verarbeitung zu MMC untersucht und dafür spezielle Verfahrenstechniken in der Fertigung entwickelt. Durch schnelle und kostengünstige Fertigungstechniken kann das Anwendungsspektrum von MMC erweitert werden.