Keramikverbunde

Die Gruppe der keramischen Werkstoffe zeichnet sich im Vergleich zu Metallen insbesondere durch eine niedrige Dichte, eine große Oberflächenhärte, eine hohe Verschleißfestigkeit und eine exzellente Temperaturbeständigkeit aus. Dementsprechend werden keramische Werkstoffe für verschiedenste Anwendungen in fast allen Industriebereichen eingesetzt und ständig weiterentwickelt. Die wesentlichen Einschränkungen monolithischer Keramiken liegen jedoch in der hohen Sprödigkeit und der niedrigen Bruchdehnung, die in Kombination mit der Wärmeausdehnung bei ungleichmäßiger Bauteilerwärmung zu inneren Spannungen und somit zum Werkstoffversagen führen können. Diese Nachteile können durch eine entsprechende Faserverstärkung überwunden werden, wodurch ein deutlich erhöhter Risswiderstand, eine erhöhte Bruchdehnung, eine hohe Bruchzähigkeit und eine sehr gute Thermoschockbeständigkeit erzielt werden können. Aus diesen Gründen kommen faserverstärkte keramische Werkstoffe zunehmend zum Einsatz. So werden beispielsweise bereits heute die Auskleidungen von Raketentriebwerksstufen bzw. deren Brenner aus faserverstärkten Keramiken aufgebaut. Weiterhin werden Keramikverbunde in Wärmekraftwerken, Turbinen, Verdichtern und Bremsscheiben für PKW eingesetzt.

Als Verstärkungsmaterialien sind keramische und Carbonfasern aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit besonders prädestiniert. Für eine Vielzahl weiterer, neuartiger, thermomechanisch hochbelasteter Bauteile aus den Bereichen Energietechnik, Fahrzeugbau sowie Luft- und Raumfahrt ist die Anwendung von faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffen sinnvoll, da auf diesem Weg eine deutlich höhere Lebensdauer und bessere mechanische Eigenschaften erzielt werden können. Die Vielzahl der benötigten Bauteile ist komplex geformt. Daher werden am ITM endkonturgerechte 3D-Fasergerüste (Preformen) auf Basis von neuartigen ressourcenschonenden Fertigungsmethoden entwickelt, umgesetzt und erprobt.

Um einen hohen Risswiderstand zu gewährleisten, muss das Faser/Matrix-Grenzschichtdesign gezielt eingestellt werden. Es wird eine definierte Faser/Matrix-Bindung angestrebt und in der Regel über Faserbeschichtungen und andere thermische oder chemische Vorbehandlungen realisiert, um eine definierte Krafteinleitung in die Verstärkungsfaser zu gewährleisten. Damit ist eine Kraftübertragung möglich und die Rissenergie kann effizient dissipiert werden.

Im Rahmen der interdisziplinär ausgerichteten Forschungsprojekte werden am ITM im Rahmen der Forschung und Entwicklung in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth und unter starker Industriebeteiligung Projekte vorangetrieben, die u. a. folgende Ziele verfolgen:

neue Verfahren zur kostengünstigen verschnittfreien Herstellung von bauteilangepassten 3D-Preformen für faserverstärkte Keramiken auf Basis generativ-additiver Fertigungsverfahren,
lastangepasste 3D-Net-Shape-Preformen aus Fasern bzw. Faserbündeln mit einstellbarem Faservolumengehalt, Porosität und einer zusätzlichen Verstärkung auf Basis von Endlosfilamenten für mechanisch hochbeanspruchte Bauteile sowie mit komplexer bauteilnaher Geometrie und unterschiedlichen Wandstärken und
geeignete Faserbeschichtungen für Faser/Matrix-Grenzflächen, die eine maximale anwendungsbezogene Schadenstoleranz der faserverstärkte Verbundkeramiken ermöglichen.