Materialien und Bauteile: Ceramic Matrix Composites (CMC)#

Entwicklung von Low-Cost-CMC

Faserverbundwerkstoffe bieten gute mechanische Eigenschaften bei geringem Eigengewicht und hoher Schadenstoleranz. Am bekanntesten sind faserverstärkte Kunststoffe (FKV). Diese können jedoch nur bis maximal 300°C eingesetzt werden. Weit höhere Temperaturen sind mit Keramiken möglich, die mit Keramikfasern verstärkt werden. Diese so genannten Ceramic Matrix Composites (CMC) erreichen Einsatztemperaturen von weit über 1000°C. Das Zusammenspiel von Verstärkungsfasern und der sie umgebenen Keramik wird dabei so eingestellt, dass CMC sich quasi duktil verhalten. Ähnlich wie Metalle brechen sie nicht plötzlich und katastrophal, sondern lassen sich bis zu einem Prozent dehnen, bevor es zum Versagen kommt. Allerdings sind die Herstellkosten herkömmlicher CMC sehr hoch. So liegen die Preise der als Rohstoff benötigten keramischen Verstärkungsfasern bereits bei einigen hundert bis zu einigen tausend Euro pro Kilogramm. Dies begrenzt den Einsatz von CMC auf wenige hochpreisige Anwendungen z.B. in der Luftfahrt oder der Energietechnik.
 

Kostengünstige Faserverbundwerkstoffe#

Am Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL werden deshalb auch kostengünstige CMC entwickelt. Sie nutzen Glas- oder Basaltfasern, die um ein bis zwei Größenordnungen billiger sind als keramische Verstärkungsfasern. Die maximale Einsatztemperatur dieser neuen CMC wird dadurch allerdings auf Temperaturen von ca. 900°C bis 1000°C begrenzt.

Bei der Weiterverarbeitung der Verstärkungsfasern zu CMC müssen konsequent kostengünstige automatisierte Verfahren genutzt werden, um die Herstellkosten zu begrenzen. So erfolgen die Beschichtung der Fasern in einem schnellen Tauchverfahren, die Herstellung von Faserpreformen mit modernen Textilmaschinen und die Imprägnierung mit der keramischen Matrix über Rolle zu Rolle-Verfahren. Letztere liefern flexible Prepregs, die mit industrieüblichen Verfahren zugeschnitten, laminiert und geformt werden können.

Der letzte Herstellschritt ist dann eine Wärmebehandlung, die – anders als bei herkömmlichen CMC – unter 1000°C durchgeführt wird, um die Verstärkungsfasern nicht zu beschädigen. Hierbei kommen u.a. so genannte Geopolymere zum Einsatz, die bei tiefen Temperaturen ausgehärtet werden können.
 

Einsatztemperaturen zwischen 300°C und 1000°C#

Die kostengünstigen CMC sind für alle Prozesse nutzbar, deren Temperaturen zwischen 300°C und ca. 1000°C liegen. Dazu zählen z.B. viele Prozesse in der Gießereitechnik. Für Dampfkraftwerke lassen sich mit den neuen CMC Metall-Keramik-Verbunde herstellen, die besonders kriechfest und dabei trotzdem gasdicht sind. Aufgrund der niedrigen Herstellkosten sind jedoch auch noch viele weitere Anwendungen denkbar. 

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