Bremsscheiben aus faserverstärkten Keramiken setzen schon heute Standards hinsichtlich Gewicht und Verschleißfestigkeit. Durch den Einsatz neuartiger Carbonfasergelege können sie noch leistungsfähiger werden.
Grundlage der leichteren und verschleißfesteren Carbon-Keramik-Bremse sind neuartige, radiale Carbonfasergelege
Gustav Gerster
Auch bei Reibmaterialien hat Qualität ihren Preis. Das Nonplusultra sind dabei Bremsscheiben aus Keramik: Die Herstellkosten liegen deutlich über denen von Grauguss-, Edelstahl- oder Aluminiumscheiben, ihre Eigenschaften ringen aber selbst Christian Wiaterek im ansonsten nüchtern gehaltenen Kapitel Reibbeläge des Bremsenhandbuchs das Prädikat "erstaunlich" ab. Mit bis zu 1200 °C sind sie extrem temperaturbeständig und ihre Lebensdauer liegt deutlich über 300.000 km. Dazu sind Keramikscheiben absolut korrosionsfrei und deutlich leichter als Grauguss. Als sei das nicht genug, sprechen sie auch besser an als Graugussbremsen, ermöglichen kürzere Bremswege und sind in der Nutzung komfortabler.
Dabei steckt die Entwicklung keramischer Scheiben eigentlich noch in ihren Anfängen, wie Wiaterek weiter ausführt. Bedarf gibt es beispielsweise an neuen Herstellverfahren oder an hochtemperaturbeständigen Anbindungen an die Trägerplatte.
Neuer Ansatz in der Fertigung
Keramische Bremsscheiben bestehen im Wesentlichen aus Kohlefasern, Kohlepulvern und Harzen. Unter hohem Druck werden sie in Formen gepresst und anschließend bei 1100 °C getempert, wobei die Harze carbonisieren. Dabei entstehen Poren, die bei 1500 °C mit reinem Silizium infiltriert werden. Das metallische, flüssige Silizium reagiert mit dem Kohlenstoff zu Siliziumcarbid, wodurch der kohlenstoffverstärkte Kohlenstoff in einer Siliziumcarbidmatrix (C/C-SiC-Keramik) entsteht.
Wie Brems- und Kupplungsscheiben aus Keramik noch leichter, und dabei verschleiß- und schagfester werden können, beschreibt das Autorenteam um Gunar Knöckel im Beitrag Neuartige Carbon-Friktionswerkstoffe aus textiler Spirale für die Keramische Zeitschrift 3/21. Anstelle des sonst üblichen Carbonfasergewebes verwenden die Wissenschaftler ein spezielles spiralförmiges Gelege (Non-crimp Fabric, NFC), das sie mit einer modifizierten Webmaschine und durch Vernadeln herstellen. Die Fasern in dem Gelege sind ondulationsfrei in tangentialer und radialer Richtung ausgerichtet und ermöglichen so einen höheren Faservolumengehalt in der Bremsscheibe. Beides wirkt sich positiv auf den Reibungskoeffizienten aus.
Anwendung bei E-Autos, E-Motorrädern oder Pumpen
Die Preforms sind innen dichter als außen, wodurch sie sich während der sogenannten rapid Chemical Vapour Infiltration von innen nach außen mit einer Kohlenstoffmatrix füllen. Mit dem vorgestellten Verfahren haben die Wissenschaftler Preforms mit einem Innendurchmesser von 50 mm gefertigt, aus denen sich Bremsscheiben von 4 bis 8 mm Dicke herstellen lassen. Die Beschichtung der Preformfasern und die Matrixinfiltration gelingt dabei in einer einzigen Ofenfahrt. Als Anwendung für das neue Verfahren sehen die Wissenschaftler beispielsweise Bremsscheiben für E-Bikes oder Elektromotoräder sowie Kupplungsscheiben für Pumpen.