Die Herausforderungen in verschiedensten Industriezweigen erfordern Materialien, die bei sehr hohen Temperaturen und chemisch aggressiven Umgebungen eingesetzt werden können. Oxidische Verbundwerkstoffe (OCMC) haben sich aufgrund ihrer Stabilität unter hohen Temperaturen und oxidierenden Bedingungen als vielversprechende Materialien erwiesen. Die Eigenschaften der OCMCs hängen weitgehend von den Eigenschaften der verwendeten Aluminiumoxidfasern ab und daher ist die Herstellung kontinuierlicher Aluminiumoxidfasern von besonderem Interesse.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die thermische Behandlung von grünen Endlosfasern aus Aluminiumoxid und die Charakterisierung von grünen, pyrolysierten und gesinterten Fasern mit dem Ziel, den Einfluss von Temperatur, Heizrate, Haltezeit, Wärmestrahlung und Zugspannung auf die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften der gewonnenen Fasern zu verstehen.
Grüne kontinuierliche Aluminiumoxidfasern auf Basis von Aluminiumchlorhydrat wurden mittels DTA, TGA und REM analysiert. Die Ergebnisse der DTA und TGA zeigten, dass zwischen 100°C - 600°C flüchtige Bestandteile die Faser verlassen und ein Massenverlust von 58% beobachtet wurde. Die Umwandlung in γ-Aluminiumoxid erfolgte bei 875°C und die Umwandlung in α-Aluminiumoxid bei 1130°C. Es wurden keine Peaks für die Übergangstonerden δ-Aluminiumoxid oder θ-Aluminiumoxid beobachtet. Mikroskopische Untersuchungen ergaben unterschiedliche Anomalien der Grünfasern. Der mittlere Filamentdurchmesser betrug 21 µm.
Fasern, die bei 825°C und 875°C, bei langsamen und schnellen Heizraten mit 5 min - 15 min Haltezeit pyrolysiert wurden, hatten mittlere Filamentdurchmesser von 15 µm – 16 µm. Erst nach einer Haltezeit von 15 Minuten war γ-Aluminiumoxid als einzige kristalline Phase vorhanden. Das Gefüge der Fasern bestand aus Körnern kleiner als 250 nm. Die Dichten waren mit 2.123 g/cm³ - 2.377 g/cm³ sehr niedrig und die Zugfestigkeiten lagen zwischen 380 MPa – 692 MPa. Längere Haltezeiten und Zugspannung führten zu höheren Dichten bei gleichen Korngrößen, jedoch nicht zu höheren Zugfestigkeiten. Die Wärmestrahlung hatte keinen Einfluss auf die Eigenschaften pyrolysierter Fasern.
Die Fasern, die zwischen 1100°C - 1700°C für 1 min – 9 min gesintert wurden, hatten einen mittleren Filamentdurchmesser von 13 µm – 18 µm. Fasern, die bei 1200°C, 9 min; 1300°C, 6 min; 1400°C, 3 min; 1400°C, 5 min; 1500°C, 3 min; 1700°C, 2 min gesintert wurden, wiesen eine α-Aluminiumoxid-Mikrostruktur mit Korngrößen kleiner als 250 nm auf. Es wurden Dichten von 2.234 g/cm³ - 3.007 g/cm³ und Zugfestigkeiten von 179 MPa – 326 MPa gemessen. Die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Fasern lagen unter den Eigenschaften der pyrolysierten Fasern. Es stellte sich heraus, dass selbst bei langen Haltezeiten keine Verdichtung beobachtet wurde. Eine angelegte Zugspannung führte währende dem Sintern zum Bruch der Faser. Durch den Einfluss von Wärmestrahlung konnte eine Veränderung in der Kornstruktur an den Bruchflächen der Filamente beobachtet werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern detaillierte Informationen über die Auswirkungen verschiedener Parameter während der thermischen Behandlung von Aluminiumoxidfasern auf die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften und können dabei helfen, kontinuierliche Aluminiumoxidfasern mit den gewünschten Eigenschaften für die Endanwendung herzustellen.