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Leichtbau für Hochtemperatur-Bereiche

Einsatzbereiche bis 1000 °C
Günstige Composites für Hitze-Zonen

Leichte Faserverbundbauteile, die bis zu 1000 °C trotzen und dennoch bezahlbar sind: Das gibt es wirklich, zum Beispiel für Gießerei-Umgebungen. Solche Werkstoffe entwickelt das Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL und lädt die Industrie nun zum Online-Workshop am 23. Juni 2021 ein.

» Susanne Kuballa, Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL

Faserverbundwerkstoffe bieten gute mechanische Eigenschaften bei geringem Eigengewicht und hoher Schadenstoleranz. Am bekanntesten sind faserverstärkte Kunststoffe (FKV). Sie lassen sich jedoch nur bis maximal 300 °C einsetzen. Weit höhere Temperaturen sind mit Keramiken möglich, die durch Keramikfasern verstärkt werden. Diese so genannten Ceramic Matrix Composites (CMC) erreichen Einsatztemperaturen von weit über 1000 °C.

Das Zusammenspiel von Verstärkungsfasern und der sie umgebenden 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 1 % 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 tausenden Euro pro Kilogramm. Dies begrenzt den Einsatz von CMC auf wenige hochpreisige Anwendungen, etwa in der Luftfahrt oder Energietechnik.

Zwei Größenordnungen billiger

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, dafür aber maximale Einsatztemperaturen von „nur“ 1000 °C bieten. Beim Weiterverarbeiten dieser 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 sich mit industrieüblichen Verfahren zuschneiden, laminieren und formen lassen. Der letzte Herstellschritt ist eine Wärmebehandlung, die – anders als bei herkömmlichen CMC – unter 1000 °C durchgeführt wird, um die Verstärkungsfasern nicht zu beschädigen. Hierbei kommen unter anderem so genannte Geopolymere zum Einsatz, die sich bei tiefen Temperaturen aushärten lassen.

Diese kostengünstigen CMC sind für alle Prozesse nutzbar, deren Temperaturen zwischen 300 °C und etwa 1000 °C liegen. Dazu zählen zum Beispiel viele Prozesse in der Gießereitechnik. Für Dampfkraftwerke lassen sich Metall-Keramik-Verbunde mit den neuen CMC herstellen, die besonders kriechfest und dabei trotzdem gasdicht sind. Die niedrigen Herstellungskosten lassen noch viele weitere Anwendungen denkbar werden.

Kontakt:
Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL
Gottlieb-Keim-Str. 62
95448 Bayreuth
Tel. +49 921 78510–935
www.htl.fraunhofer.de


Online-Workshop

Kostengünstige Faserverbundwerkstoffe für Einsatztemperaturen bis 1000 °C“ heißt der Workshop, den das Fraunhofer-Zentrum HTL für die Industrie veranstaltet – kostenfrei.
Zeit: 23. Juni 2021, 13:00 bis 17:00 Uhr
Info und Anmeldung: www.htl.fraunhofer.de/de/veranstaltungen.html

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