Hightech-Textilien
Hightech-Textilien - Nichtoxidische keramische Fasern für High-Tech-Anwendungen
Pressestatement, Prof. Dr. Gerhard Sextl, Leiter, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Würzburg
Keramik ist ein äußerst vielseitiger Werkstoff. Sie ist leicht, thermisch hoch belastbar sowie chemikalien- und abriebbeständig. Damit könnte sie das Wunschmaterial vieler Konstrukteu-re sein, weist jedoch einen – für technische Anwendungen oftmals entscheidenden – Nach-teil auf: Keramik ist spröde und damit alles andere als schadenstolerant gegenüber mecha-nischen Belastungen. Eine neue Werkstoffklasse löst dieses Problem. Mit Keramikfasern verstärkte Kompositmaterialien (CMC – Ceramic Matrix Composites) zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Festigkeit und Stabilität aus, sind besonders leicht und weisen eine hohe chemische Beständigkeit sowie Härte auf. Dazu kommt, dass faserverstärkte Ver-bundwerkstoffe längst nicht so spröde sind wie reine Keramiksubstrate. Die Bruchgefahr ist deutlich geringer. Entsprechend vielseitig ist die neue Materialklasse einsetzbar. Mit kohlefa-serverstärkten keramischen Bremsscheiben für PKW der Oberklasse ist auch bereits der Sprung in eine sehr anspruchsvolle Anwendung geschafft. Vorteile der Keramik sind hier neben der Gewichtsersparnis die Materialfestigkeit in einem mittleren Temperaturbereich, die lange Lebensdauer und die Zuverlässigkeit.
Nichtoxidische Keramikfasern dagegen verkraften eine wesentlich höhere Temperaturbelas-tung. »Verbundwerkstoffe auf Basis von nichtoxidischen Keramikfasern eignen sich für Hochtemperaturanwendungen z. T. weit über 1000 °C«, wie Prof. Dr. Gerhard Sextl, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC, Würzburg, anlässlich des Kooperationsfo-rums »Hightech-Textilien – Fasern, Technologien, Produkte« am 14. Februar in Nürnberg berichtet. Würde man solche hochtemperaturstabilen Materialien beispielsweise in der Kraft-werkstechnik anstelle der üblichen Metalllegierungen an geeigneter Stelle einsetzen, könnte man die Prozesstemperatur und damit den Wirkungsgrad deutlich steigern. Die neuen Mate-rialien können damit einen wichtigen Beitrag zur Einsparung knapper werdender Ressourcen leisten. Mit faserverstärkten Leichtbauwerkstoffen könnten sich in Zukunft unter anderem effizientere Gasturbinen, Wärmetauscher oder Triebwerke konstruieren lassen, aber auch der Maschinenbau bietet eine Vielzahl von interessanten Anwendungsmöglichkeiten.
Keramische Verbundwerkstoffe auf Basis von Siliziumcarbid-Fasern (SiC) sind schon seit einigen Jahren bekannt und verfügbar. Allerdings ist die Produktion von nichtoxidischen, langzeitstabilen SiC-Fasern sehr aufwändig, so dass nur wenige Unternehmen diesen Pro-zess beherrschen. Es sind vor allem japanische und amerikanische Anbieter, die den Welt-markt unter sich aufteilen. Nicht zuletzt deshalb ist das Preisniveau der kommerziell erhältli-chen SiC-Fasern mit über 6000 US-Dollar pro Kilogramm derzeit so hoch, dass sie für Mas-senanwendungen kaum in Frage kommen. Mit Förderung des Bayerischen Staatsministeri-ums für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie wird in Würzburg derzeit eine Pi-lotanlage als Vorstufe einer Volumenproduktion aufgebaut. Prof. Sextl erläutert die Hinter-gründe: »Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung hat in den letzten Jahren einen neuen, besonders preisgünstigen Herstellungsprozess entwickelt.« Ziel ist es, die Abhängigkeit von außereuropäischen Anbietern zu reduzieren und damit die Wettbewerbsfähigkeit der deut-schen und europäischen CMC-Industrie langfristig zu stärken.
Für noch höhere Einsatztemperaturen bis zu 1300 °C, wie sie beispielsweise in der Energie- und Antriebstechnik gefordert sind, sollen in Zukunft Leichtbauwerkstoffe auf Basis von Si-B-N-C zur Verfügung stehen. Bei diesem vom Fraunhofer ISC entwickelten Fasertyp handelt es sich um ein völlig neues Werkstoffkonzept. Die im Labormaßstab bereits beherrschte Fa-serproduktion wird aktuell im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und For-schung unterstützten Projekts in den Pilotproduktionsmaßstab überführt.
»Doch die keramische Faser selbst ist nur ein Baustein. Für die neuen hochtemperaturbe-ständigen CMC auf SiBNC-Basis müssen geeignete Interfaces für eine passende Einbin-dung der Fasern in eine Matrix, textile Verarbeitungsverfahren zur Herstellung geeigneter Verstärkungsgewebestrukturen aus den Fasern sowie die Matrix selbst weiterentwickelt wer-den. Hier stehen wir mit unseren Kooperationspartnern noch relativ am Anfang der Entwick-lung hin zu einem qualifizierten Konstruktionswerkstoff. Noch in diesem Jahr sollen die neu-en High-Tech-Fasern in ausreichender Menge für erste Praxistests bereitgestellt werden«, schließt Prof. Gerhard Sextl ab.
Weitere Informationen und Bildmaterial:
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
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