Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth

Forschungsschwerpunkte:

Keramik

Schäume

Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt anorganische und kohlenstoffbasierte Schäume für verschiedene Anwendungen. Im Vergleich zu dichten Materialien zeichnen sich Schäume durch eine hohe Porosität aus, die in der Regel weit über 50 Vol.-% liegt. Diese kann offen oder geschlossen sein. Aus der hohen Porosität und geringen Dichte resultiert ein einzigartiges Eigenschaftsprofil, welches geprägt ist von

  • einer hohen spezifischen Oberfläche
  • einer hohen Durchlässigkeit für Fluide
  • einer geringen thermischen Masse
  • thermischer und akustischer Isolierwirkung
  • hoher Temperaturwechselbeständigkeit
  • einer hohen massespezifischen Festigkeit und Steifigkeit

Zugleich weisen Schäume je nach Basismaterial i.d.R. eine hohe thermische und chemische Beständigkeit sowie eine im Vergleich zu faserbasierten Isoliermaterialien hohe Härte und Abrasionsbeständigkeit auf. Dies qualifiziert anorganische Schäume für Anwendungen u.a. für thermische und akustische Isolierkomponenten, Filter, Brennhilfsmittel, dem Leichtbau oder Knochenersatzmaterialien.

Design des Schaummaterials

Das Design des Schaummaterials findet auf Basis der Kundenanforderungen statt. Hierbei kommen die systematischen Methoden des HTL zur Materialauswahl und Bauteilentwicklung zum Einsatz. Alternativ können auch kundenspezifische Werkstoffe in Schäume überführt werden. Das Einsatzverhalten der Schaummaterialien und -bauteile wird unter verschiedenen mechanischen, thermischen und mechanisch-thermischen Belastungen simuliert und auf Basis dessen die material- und ressourceneffizienteste Lösung erarbeitet. Hierbei werden insbesondere auch ökonomische und ökologische Randbedingungen berücksichtigt.

Schaumherstellung und Formgebung
Mechanisches Direktschäumungsverfahren
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Mechanisches Direktschäumungsverfahren: Schlickerherstellung (I), mechanischer Schäumung (II), Formgebung und Härtung (III) und fertig gesinterte Schaumplatte (IV)
Porenstruktur eines Mullitschaumes
© Fraunhofer-Zentrum HTL
REM-Aufnahme der Porenstruktur eines Mullitschaumes aus mechanischer Direktschäumung (25x, WD 15 mm, EHT 10 kV, SE-Detektor)

Für die Herstellung des Schaummaterials hat das HTL ein kostengünstiges Direktschäumungsverfahren entwickelt und patentiert, welches auf nachwachsenden Rohstoffen basiert1. In diesem wird ein sog. Schlickermaterial mechanisch aufgeschäumt, welches aus Wasser, mindestens einem Pulverrohstoff des Basismaterials und umweltfreundlichen Additiven besteht. Durch die Anpassung der Zusammensetzung, des Fließverhaltens und der Prozessführung kann hierbei die Porengrößenverteilung eingestellt werden. Die erreichbare offene Porosität liegt in einem Bereich von 50 bis > 90 Vol.-%, wobei die Porengrößen in einem Bereich von 20 – 600 µm eingestellt werden können.

Nach der mechanischen Direktschäumung wird das geschäumte Schlickermaterial in eine Form gegeben und bei Temperaturen < 100 °C gehärtet und getrocknet. Hierdurch entsteht ein stabiler und bei Bedarf mechanisch bearbeitbarer Grünschaum. Dieser wird im Anschluss i.d.R. entbindert und gesintert. Das Gießen oder Abformen ermöglicht hierbei eine endkonturnahe Herstellung von Halbzeugen oder Komponenten mit begrenzter Komplexität.

Bei Bedarf können die anorganischen Schäume z.B. mit Metallschmelzen infiltriert werden, um auf kosteneffizientem Wege Komposite z.B. für abrasionsbeständige Kühlkomponenten darzustellen. Des Weiteren können die Schäume mit Beschichtungen versehen werden, z.B. als Abrasionsschutz oder zur hermetischen Versiegelung.

1 DE10 2018 200 969B3 bzw. EP3514122B1

Leistungsangebot:

  • Beratung und Auswahl eines geeigneten Basismaterials für die Schäume
  • FE-gestütztes Design von Schaummaterialien und -bauteilen unter Berücksichtigung u.a. mechanischer, thermischer und mechanisch-thermischer Lasten
  • Machbarkeitsstudien zur Überführung von Kundenmaterialien in Schäume
  • Schaum-Neuentwicklungen
  • Umweltfreundliches und kosteneffizientes Direktschäumverfahren
  • Infiltration der Schäume zur Herstellung von Kompositen
  • Beschichtung der Schäume
  • Prüfung der Schäume hinsichtlich mechanischer, thermischer, mechanisch-thermischer und chemischer Stabilität