Analyse mittels Röntgen-Computertomografie: Vom Holz-Polymer-Verbundwerkstoff über ein Kohlenstofftemplat zur C/Si/SiC-Keramik

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von C/Si/SiC-Keramiken aus einem Holz-Polymer-Verbundwerkstoff (WPC). Dabei werden die Proben zwischen den einzelnen Produktionsschritten mittels Röntgen-Computertomografie (XCT) analysiert, um die Vorgänge im Material besser zu verstehen. XCT wurde für diese erste Machbarkeitsstudie ausgewählt, da es sich dabei um eine effektive Methode handelt, größere Probenvolumina in den unterschiedlichen Fertigungszuständen zerstörungsfrei zu untersuchen. Zusätzlich zu XCT wurden an ausgewählten Proben sowohl Synchrotronmessungen, als auch zerstörende Referenzmethoden wie Quecksilberporosimetrie und materialografische Schliffpräparationen in Kombination mit Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt. Die Herstellung einer Keramik erfolgt im Wesentlichen in drei Hauptschritten: WPC Grünkörper, Kohlenstofftemplat und fertig infiltrierte C/Si/SiC-Keramik. Mittels XCT werden die drei Herstellschritte sowohl qualitativ als auch quantitativ betrachtet. Qualitative Betrachtungen zeigen vor allem strukturelle Veränderungen der Probe während der einzelnen Herstellschritte. Poren im WPC bleiben oft im C-Templat erhalten und werden durch das Silizieren gefüllt. Risse entstehen meist durch das Karbonisieren. Für die qualitative Beurteilung sind Auflösungen zwischen (70 µm)³ und (45 µm)³ ausreichend. Mittels XCT können zusätzlich quantitative Aussagen über die einzelnen Phasenanteile in den verschiedenen Herstellschritten getroffen werden. Im WPC wurde mit Hilfe eines manuellen Schwellwertes der Holzanteil bestimmt. Bei den C-Templaten kam ein ISO62 Schwellwert zum Einsatz, um die Poren zu quantifizieren. Die XCT - Auswertungen korrelieren sehr gut mit den Auswertungen der Quecksilberporosimetrie und den lichtmikroskopischen Auswertungen. Auch bei der fertigen C/Si/SiC-Keramik korrelieren die XCT-Auswertungen gut mit denen des Lichtmikroskops, wobei durch die Probenpräparation im Lichtmikroskop ein höherer Anteil an Kohlenstoff und Luft bestimmt wird. Für die quantitative XCT-Auswertung sind Auflösungen zwischen (2,5 µm)³ und (0,8 µm)³ Voxelgröße notwendig.