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05.10.2016 | Keramik, Glas | Im Fokus | Onlineartikel

Hochtemperatur-Leichtbau mit Keramikfasern

Autor:
Dieter Beste

Aus Keramikwerkstoffen lassen sich – mit Keramikfasern verstärkt – nicht nur leichte, sondern auch bruchzähe Bauteile fertigen, die hohen Temperaturen standhalten. In Bayreuth entsteht jetzt eine europaweit einzigartige Faserpilotanlage.

Weltweit besteht besonders in der Luftfahrt, Energietechnik und Thermoprozesstechnik eine große Nachfrage nach leichten, hochtemperaturbeständigen und schadenstoleranten Materialien. Denn auf diese Weise lässt sich die Energieeffizienz von Hochtemperaturprozessen verbessern. Bei Temperaturen oberhalb von 1100 Grad Celsius sind keramische Faserverbundwerkstoffe der Geheimtipp.

In Keramikmatrix-Verbunden (Ceramic Matrix Composites, CMC) wird durch die eingebrachten Fasern die Bruchzähigkeit des an sich meist spröden Werkstoffs erhöht. Und da eine zentrale Eigenschaft der Fasern ihre geringere Defektgröße ist, kann als Fasermaterial derselbe Werkstoff verwendet werden wie für das Matrixmaterial. "Dies hat den Vorteil, dass die elastischen Eigenschaften von Faser und Matrix identisch sind, sodass sich keine Spannungskonzentrationen im Material ausbilden, und dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten gleich sind, sodass keine Eigenspannungen durch Abkühlen entstehen", so die Autoren von "Mechanisches Verhalten der Werkstoffe" (Seite 305). Auch chemische Reaktionen fänden in diesem Fall nicht statt, führen die Springer-Autoren Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker aus und beschreiben im Weiteren kurz die Herstellung kurzfaserverstärkter Keramikmatrix-Verbunde.

Neue Anlage für nichtoxidische und oxidische Verstärkungsfasern

Keramische Verstärkungsfasern sind der entscheidende Rohstoff für die Herstellung von CMC-Bauteilen. Deren Hersteller befinden sich jedoch bislang in den USA oder in Japan und fertigen vorwiegend für den inländischen Bereich. Für europäische Hersteller sind keramische Fasern häufig nicht oder nur zu sehr hohen Preisen verfügbar.

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Als einzige Forschungseinrichtung in Europa entwickelt das Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau (HTL) nach eigenen Angaben in Bayreuth CMC entlang der gesamten Herstellkette, angefangen bei der Faserentwicklung und textilen Verarbeitung bis hin zum Aufbau der keramischen Matrix und dem Fügen der CMC-Halbzeuge. In Bayreuth soll nun auch eine für Europa einzigartige Pilotanlage zur Herstellung keramischer Verstärkungsfasern entstehen. Die Anlage soll zwei Fertigungslinien verfolgen: eine Linie für nichtoxidische und eine Linie für oxidische Verstärkungsfasern.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

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