Chemical Vapor Infiltration

Beim Chemical Vapor Infiltration (CVI)-Verfahren wird zunächst ein poröser Vorformling – beispielsweise Kohlenstofffasergewebe oder Siliziumkarbidfasermatten – in einen Hochtemperaturreaktor eingebracht. Die Reaktionskammer wird anschließend evakuiert und auf Temperaturen erhitzt, die typischerweise zwischen 800 und 1.200 °C liegen. Sobald diese Prozessbedingungen erreicht sind, wird ein reaktives Gasgemisch – etwa Methan, MTS (Methyltrichlorsilan) oder Wasserstoff – in die Kammer eingeleitet.

Die Gase durchdringen die Porenstruktur des Vorformlings bis in die Tiefe, wo sie sich beim Kontakt mit den inneren Faseroberflächen zersetzen oder miteinander reagieren. Diese Reaktion erzeugt eine feste keramische Schicht, die sich schrittweise im Inneren des Werkstoffs aufbaut. Die Infiltration wird über viele Stunden oder sogar Tage fortgeführt, bis der Verbundwerkstoff den erforderlichen Verdichtungsgrad sowie die gewünschte Restporosität erreicht hat.

1. Isotherme CVI (I-CVI): Der Vorformling wird bei konstanter Temperatur gehalten, und Gase diffundieren natürlich in die Poren, wo sich Feststoff abscheidet. Diese Methode ist einfach in der Umsetzung und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Mikrostruktur, ist jedoch sehr langsam und kann bei dickeren Bauteilen zu unvollständiger Infiltration führen.
    
2. Gradient-CVI (G-CVI): Nutzt einen Temperaturgradienten innerhalb des Vorformlings, um die Abscheidung in bestimmten Bereichen zu fördern. Dadurch wird der Prozess gegenüber I-CVI beschleunigt und die Gleichmäßigkeit verbessert, allerdings ist eine komplexere Temperaturregelung erforderlich.
    
3. Forcierte CVI (F-CVI): Wendet einen Druckgradienten an, um Gase durch den Vorformling zu drücken, was zu schneller und gleichmäßiger Abscheidung führt – selbst bei dicken oder komplexen Strukturen. Diese Methode eignet sich optimal für die industrielle Serienproduktion, erfordert jedoch ein insgesamt komplexeres Anlagendesign.

Zusammenfassend unterscheiden sich die CVI-Methoden hauptsächlich in der Temperaturführung und der Art des Gastransports in das Preform. Die Wahl der Methode stellt dabei einen Kompromiss zwischen Prozessgeschwindigkeit, Gleichmäßigkeit und Anlagenkomplexität dar.

Das CVI-Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hochleistungsverbundwerkstoffen – darunter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bauteile (C/C) für die Luft- und Raumfahrt sowie keramische SiC/SiC-Matrixverbundwerkstoffe für Turbinen, die Aviatik und Energieanwendungen. Diese Werkstoffe vereinen hohe Festigkeit und Steifigkeit mit geringer Dichte sowie herausragender thermischer und mechanischer Stabilität. Sie behalten ihre Leistungsfähigkeit bei Temperaturen von über 1.500 °C und widerstehen gleichermaßen Thermoschock und Oxidation.

Neben den außergewöhnlichen Materialeigenschaften bietet das CVI-Verfahren entscheidende technologische Vorteile: Es gewährleistet eine extrem hohe Materialreinheit, scheidet keramische Schichten schonend ab, ohne die Fasern zu beeinträchtigen, und ermöglicht eine präzise Kontrolle der Mikrostruktur. Das Ergebnis ist eine hochgradig reproduzierbare Verbundwerkstoffqualität – und macht das CVI-Verfahren zur idealen Fertigungsmethode für anspruchsvolle strukturelle Hochleistungswerkstoffe.