Erste Ansätze

29.09.2006 | Redakteur: Josef Kraus

Verbundkeramik eignet sich für hoch belastbare Teile im Maschinen- und Anlagenbau. Kennzeichnend für technische Keramik ist die hohe Härte, Verschleiß-, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit....

Verbundkeramik eignet sich für hoch belastbare Teile im Maschinen- und AnlagenbauKennzeichnend für technische Keramik ist die hohe Härte, Verschleiß-, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit. Jedoch ist der Werkstoff spröde, weshalb man bei der MAN Technologie AG, Augsburg, auf Verbundkeramik setzt: auf Hochleistungskeramik, in die Langfasern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Kohlenstoff (C) eingearbeitet werden, um das Bruchverhalten zu verbessern. Erste erfolgreiche Versuche wurden bereits in den achtziger Jahren vorgenommen. Nun ist man soweit, dass sich daraus für den Maschinen- und Anlagenbau Gleitlager, Hülsen und Schrauben herstellen lassen. Sogar die Herstellung von Anlagenteilen für Gießereien wurde bereits erfolgreich geprüft. Im Gegensatz zu verstärkten Kunststoffen haben Langfasern bei technischer Keramik eine höhere Dehnbarkeit und ein kleineres E-Modul als die Matrix. Aufgabe der Fasern ist es, entstehende Risse im keramischen Grundwerkstoff an der Ausbreitung zu hindern. Dazu müssen einerseits die Verstärkungskomponenten eine ausreichend hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung haben. Andererseits sind industrietaugliche Herstellungsverfahren erforderlich, um die Räume zwischen den Fasern mit Keramik auszufüllen. Bis heute erfüllen nur Fasern aus Kohlenstoff und Siliziumkarbid die beiden Anforderungen. Auch als Matrix oder Grundwerkstoff hat sich insbesondere Siliziumkarbid etabliert. Faserbeschichtung erhöht Bruchzähigkeit Heute werden aus Verbundkeramik Prototypen und Bauteile in kleineren Serien hergestellt. Die dazu angewandten Verfahren unterscheiden sich nur dadurch, wie die Matrix in die möglichst bauteilnah aus Fasern geformte Struktur eingebracht wird. Zuvor ist jedoch ein Beschichten der Fasern mit Kohlenstoff erforderlich, um ein begrenztes Gleiten in der Matrix zu ermöglichen. Erst dadurch wird eine ausreichend hohe Bruchzähigkeit und Dehnbarkeit erreicht. Sichtbares Zeichen dafür ist der so genannte Pull-out-Effekt: Bei Überbelastung reißen die Fasern nicht direkt an der Bruchfläche der Matrix, sondern in unterschiedlichen Abständen von ihr.Zur Herstellung von Verbundkeramik gibt es drei unterschiedliche Verfahren: das CVI-, LPI- und LSI-Verfahren. Beim CVI-Verfahren (Chemical Vapour Infiltration) wird die Faserstruktur auf eine Temperatur von 1100 °C aufgeheizt und dann in der Regel mit Methyl-Trichlor-Silan begast. Es enthält Silizium und Kohlenstoffatome, wobei Wasserstoff als Trägergas eine katalytische Funktion übernimmt. Auf den Faseroberflächen und in den Zwischenräumen scheidet sich bei optimierten Prozessbedingungen sehr reines, feinkristallines Siliziumkarbid ab. Das LPI-Verfahren (Liquid Polymer Infiltration) basiert dagegen auf einem Pyrolyseprozess. Siliziumkarbid wird dabei aus Harzen gewonnen, die beide Komponenten der Keramik in atomarer Form enthalten. Dieser Prozess findet jedoch erst nach der Infiltration der Harze in die Faserstruktur statt. Bei einer Temperatur von mehr als 1100°C kommt es zur Zersetzung der Harze. Dieser Vorgang geht mit einem Volumenschwund einher, weshalb beide Prozesse mehrmals zu wiederholen sind. Bei einer Restporosität von etwa 15% wird die Herstellung abgebrochen.Luft-und Raumfahrttechnik mit ersten Anwendungen Beim LSI-Verfahren (Liqiud Silizium Infiltration) ist die Herstellung zweigeteilt. Erst wird ein Bauteil mit Fasern und Matrix aus Kohlenstoff (C/C) hergestellt, dann flüssiges Silizium infiltriert, das dazu auf über 1410°C (Schmelztemperatur) aufgeheizt ist. Bei optimierten Prozessbedingungen reagiert die poröse Kohlenstoffmatrix mit der Schmelze nahezu vollständig zu Siliziumkarbid (C/C-SiC), so dass die Restporosität unter 3% liegt. Zwar bleiben die Kohlenstoff-Fasern so gut wie unbeschädigt erhalten, doch wird ein wirksamer Pull-out-Effekt wie bei den beiden anderen Verfahren derzeit nicht erreicht.Für die Verwendung von Verbundkeramik spricht die erhöhte Bruchzähigkeit, das verbesserte Thermoschock- und Verschleißverhalten sowie die Hochtemperaturbeständigkeit (Tabelle). Anfangs hat man sich diese Eigenschaften vor allem in der Luft- und Raumfahrtechnik zunutze gemacht. So wurden in den neunziger Jahren bei MAN Technologie aus Verbundkeramik Hitzeschutzschilde für wiederverwendbare Raumkapseln, Steuerklappen für Raumgleiter, und Triebwerksteile für Überschallflugzeuge entwickelt. Ein wichtiges Kriterium war dabei die Hochtemperaturbeständigkeit.Bessere Belastbarkeit als monolitische Keramik Bei Anwendungen im Niedertemperaturbereich stehen Thermoschockbeständigkeit und tribologische Eigenschaften wie verbessertes Reibungs- und Verschleißverhalten im Vordergrund. Dabei muss sich der Faser-Verbundwerkstoff mit unverstärkter Hochleistungskeramik messen, wie sich anhand der Herstellung hochbelasteter Gleitlager und Gleitringdichtungen verdeutlichen lässt. Bei diesen Teilen hat sich unverstärktes Siliziumkarbid als Werkstoff zur Herstellung von Wellenschutzhülsen etabliert. Jedoch zeigen Ergebnisse von MAN Technologie, dass die Verwendung von Verbundkeramik mit Matrix und Faser aus Siliziumkarbid (CVI) eine höhere spezifische Belastung ermöglicht.So wurden hoch belastbare mediumgeschmierte Gleitlager mit Wellenschutzhülsen aus Verbundkeramik für Großpumpen des Herstellers KSB, Frankenthal, entwickelt (Bild 1). In Feldversuchen kamen sie auf mehr als 20 000 Betriebsstunden. Auch axiale Gleitlagerringe aus demselben Werkstoff (SiC/SiC) wurden erfolgreich erprobt. Für diese Ringe hat MAN Technologie das CVI-Verfahren so modifiziert, dass sich damit auch Rohre mit Wanddicken bis zu 25 mm herstellen lassen. Weiterentwicklungen waren diesbezüglich auch bei den Verfahren zur Nachverdichtung der Poren erforderlich, um die tribologischen Eigenschaften zu verbessern. Auch Schrauben werden aus Verbundkeramik (SiC/SiC) hergestellt: mit Durchmessern von 6 bis 25 mm und einer Länge bis zu 150 mm. Laut MAN Technologie ermöglichen sie eine hohe Vorspannung und Zuverlässigkeit. Sprödbruch wird vermieden. Die mechanischen Eigenschaften bleiben bei einer Temperatur bis zu 1600 °C nahezu konstant. Bei Kontakt mit oxidierenden Gasen können die Schrauben beschichtet werden. Die Gewichtseinsparung beträgt im Vergleich zu Metallschrauben mit ähnlichen Eigenschaften etwa 70%.Thermische Langzeitstabilität erfordert weitere Entwicklungen Zu den jüngsten Entwicklungen gehören Anlagenteile mit hoher Temperatur- und Thermoschockbeständigkeit für Gießereien. So wurde ein Kokillen-Mundstück für eine Strangguss-Versuchsanlage aus Verbundkeramik (SiC/SiC) entwickelt (Bild 2). Weil Siliziumkarbid jedoch mit Eisen und Nickel chemisch reagiert, ist das Teil auf Anwendungen für Nicht-Eisen-Metalle beschränkt. Auch Magnesiumanteile in Leichtmetalllegierungen wirken sich negativ aus. Gegenüber Mundstücken aus Silikat oder Graphit könne man mit einer verlängerten Lebensdauer rechnen, heißt es.Für die weitere Entwicklung zeichnen sich laut MAN Technologie folgende Schwerpunkte ab:- Die thermische Langzeitstabilität bei Hochtemperaturanwendungen von keramischen Fasern bei Kontakt mit Sauerstoff oder Luft muss weiter verbessert werden. Längerfristiges Ziel ist die Entwicklung einer thermoschock- und korrosionsbeständigen Verbundkeramik für Hochtemperatur-Wärmetauscher sowie für thermisch und mechanisch hochbelastete Komponenten in zivil genutzten Gasturbinen. Weil das Aufbringen von Oxidationsschutzschichten jedoch aufwendig ist, muss dafür eine neue Generation hochtemperatur- und sauerstoffbeständiger Fasern entwickelt werden. Ein entsprechendes Projekt ist Teile eines derzeit vom BMBF geförderten Programms.- Die Kosten für den Faserwerkstoff und die Herstellung der Verbundkeramik sind weiter zu verringern. Dadurch verbessert sich weiter das Kosten-Nutzen-Verhältnis, und zusätzliche Anwendungen werden erschlossen. Gegenüber unverstärkter Hochleistungskeramik ist schon bei großen Bauteilen in vergleichbaren Stückzahlen ein ähnliches Niveau erreicht.- In Labor- und Feld-versuchen sind weitere Werkstoffkennwerte zu ermitteln. Darüber hinaus müssen die Anwendungsgrenzen besser ausgelotet werden.

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