Hoch dichte polymerabgeleitete Keramiken mit Kohlenstoffnanoröhren-Verstärkung

Hochleistungskeramiken werden aufgrund ihres besonderen Eigenschaftsspektrums (hohe Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Härte) in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt. Mit einer inhärent niedrigen Risszähigkeit besteht jedoch ein Malus in puncto Zuverlässigkeit für den technischen Einsatz.
Durch die Zugabe von Verstärkungsphasen kann die Risszähigkeit erhöht werden. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) besitzen diese Eigenschaft, jedoch ist eine homogene Verteilung kommerziell erhältlicher CNTs in keramischen Matrices zeit- und energieaufwendig.
In einem neuartigen Ansatz werden CNTs in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators während der Umwandlung eines präkeramischen Polymers in eine polymerabgeleitete Keramik gebildet. Die während der Umwandlung freiwerdenden und mit dem Katalysator in Kontakt kommenden Kohlenwasserstoffe werden genutzt, um CNTs in situ zu bilden. Somit lassen sich CNT-haltige Keramiken unter Umgehung der oben genannten Probleme sogar in kohlenwasserstofffreier Atmosphäre erzeugen.
Die CNT-haltigen Keramiken werden in einem zweiten Prozessschritt gemahlen und durch einen feldunterstützten Sinterprozess verdichtet. Die Temperaturen liegen typisch bei 1600 °C, um kompakte, nahezu porenfreie Keramiken zu erhalten. Dis führt wiederum zu einem als carbothermische Reduktion bezeichneten Prozess, wodurch die CNTs teilweise in SiC umgewandelt werden. Um eine Reduzierung der Sintertemperatur unterhalb der Starttemperatur der carbothermischen Reduktion zu erreichen, wurden weitere Zusätze und nanopartiuläre Füllstoffe in das präkeramische Polymer eingebracht. Es konnte gezeigt werden, dass die Sintertemperatur zur Herstellung einer kompakten Keramik um mehr als 150 °C gesenkt und damit die carbothermische Reduktion weitgehend unterdrückt werden kann. Daraus resultieren Kompaktkörper mit deutlich höherer theoretischer Dichte im Vergleich zu ihren borfreien Pendants, die aufgrund ihrer niedrigeren Porosität auch deutlich höhere Festigkeiten aufweisen.