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Fakultät für Ingenieurwissenschaften

Lehrstuhl Keramische Werkstoffe – Professor Dr.-Ing. Walter Krenkel

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CMC_Pullout

Arbeitsgruppe Verbundkeramik

Leitung: Dr. rer. nat. Nico Langhof


Konzept

Die Arbeitsgruppe Verbundkeramik beschäftigt sich mit allen Aspekten der Entwicklung, Optimierung und Eigenschaftscharakterisierung faserverstärkter keramische Verbundwerkstoffe (CMC, Ceramic Matrix Composites). Diese innovative Materialgruppe entstammt der Luft- und Raumfahrt und wurde ursprünglich als Thermalschutzsystem für Raumfähren (z. B. Space Shuttle) entwickelt. Zur Fertigung dieser schadenstoleranten Keramiken stehen Technikumsanlagen zur Verfügung, die einen Temperaturbereich bis ca. 2.500 °C an Luft, Schutzgas und Vakuum abdecken. Das zweite Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe liegt auf der mechanischen und mikrostrukteriellen Charakterisierung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC, solid oxid fuel cell).


Forschungsgebiete

Friktionsmaterialien – Bremsscheiben und Bremsbeläge aus KeramikEinklappen

Seit mehr als 10 Jahren beschäftigt sich die Arbeitsgruppe Verbundkeramik schwerpunktmäßig mit der Entwicklung, Fertigung und tribologischen Prüfung von Friktionsmaterialien. Im Fokus stehen Betriebs- und Notbremsen aus den Bereichen der PKW-Bremsen, Zug-Bremsen, Aufzugs-Bremsen, Industrie-Bremsen und Racing-Anwendungen. Besonders große Erfahrungen bestehen in der Untersuchung von C-faserverstärktem Kohlenstoff (C/C) und C-faserverstärktem SiC (C/SiC) mit verschiedenen Modifizierungen, als Scheiben- und Belagsmaterial.

Ziel unserer Arbeiten ist es ein Verständnis über belastungsabhängige Reibungs- und Verschleißmechanismen aufzubauen, die besonders bei keramischen Reibmaterialien zu beobachten sind. Darauf aufbauend werden anwendungsbezogene Friktionswerkstoffe entwickelt und in geprüft. Von der Anwendung abgeleitete, flächenbezogene Belastungen werden in der Regel auf Belagsgeometrien in der Größenordnung von z.B. 30 x 30 mm2 skaliert. Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung fließen dabei stets auch in anwendungsnahe Forschungsprojekte (z.B. AiF, ZIM) und bilaterale Industrieprojekte ein. Auch im Transfer von Material zur Anwendung beim Industriepartner verfügen wir bereits über Erfahrung. 

Bei den Bremsscheibenmaterialien bestehen die meisten Erfahrungen mit kommerziell verfügbaren:

  • Keramischen C/SiC Bremsscheiben, üblicherweise von der Fa. BremboSGL (innenbelüftete Bremsscheiben mit Durchmesser von 380 mm – 450 mm,
  • C/C-Bremsscheiben
  • Hybride Ansätze mit metallischen Tragkörpern und verbundkeramischen Reibflächen
  • Keramische C/SiC Bremsscheiben internationaler Hersteller und selbst entwickelte modifizierte C/SiC Bremsscheiben mit Kurzfaser- und Gewebe-Verstärkung
  • Stahl- und Graugussscheiben verschiedener Durchmesser bis 1 m, massiv oder innenbelüftet.

Der uns zu Verfügung stehende Bremsenprüfstand zeichnet sich durch folgende Eckdaten aus:

  • Bis zu 1200 kW, flächenspezifische Reibleistungen bis 3200 W/mm2
  • Drehzahlmax = 2500 U/min-1
  • Bremskraft: pneumatisch bis 50 kN
  • Bremsdrücke: probengrößenabhängig (z.B. für 30 x 30 mm² bis 60 MPa)
  • Schwungmasse: 800 kg (120 kgm²) und 200 kg (15 kgm²) verfügbar
  • Versuche mit konstanter Gleitgeschwindigkeit
  • Stopp-Bremsungen, d.h. Versuche mit abnehmender Geschwindigkeit
  • Belagsgröße: 10 x 20 x 10 mm³ bis 30 x 30 x 10 mm³ (L x B x D, andere Größen auf Anfrage)
  • Bremsscheiben: 250 – 1000 mm Durchmesser (andere Durchmesser auf Anfrage)

Wir sind in der Lage im Anschluss an die Friktionsversuche die Reibmaterialien hinsichtlich Mikrostruktur und Oberflächenrauheit genauestens zu analysieren (u.a. REM, Laser Scanning Mikroskop) um zielgerichtet Reibungs- und Verschleißmechanismen zu identifizieren sowie die Reibmaterialien auf die jeweiligen Anwendungsfelder hin anzupassen und weiterzuentwickeln.

Zur Unterstützung der Entwicklung werden FE-Analysen bzw. Simulationen eingesetzt, mit deren Hilfe thermomechanische Lasten während des Bremsvorganges simuliert und so direkt Rückschlüsse auf die Entwicklung der Friktionsmaterialien gezogen werden können.

Schadenstolerante VerbundkeramikenEinklappen
Schadenstolerante faserverstärkte Keramik

Die Schadenstoleranz von Verbundkeramiken steht im Mittelpunkt nahezu aller Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in der Arbeitsgruppe. Nur durch die Schadenstoleranz, die in der Regel durch eine Faserverstärkung erzielt wird, besitzen die Verbundkeramiken gegenüber monolithischen Keramiken entscheidende Vorteile. Die Fasern sind in keramischen Matrices eingebettet und bewirken keine Festigkeits-, sondern eine Zähigkeitssteigerung. Dadurch erzielte, deutlich erhöhte Bruchdehnungen von > 0,2 % können plötzliche thermomechanische Lasten und Verformungen aufnehmen, ohne dass das Material einen Schaden davon trägt. Zusätzlich unterscheidet die Versagensart die Verbundkeramiken von den monolithischen Keramiken. Die Verstärkungsfasern bewirken ein allmähliches und nicht sprödes, katastrophales Versagen im Überlastfall. Damit stellt die Schadenstoleranz der Verbundkeramiken die Voraussetzung dar, um besonders im Bereich des Hochtemperatur-Leichtbaus neue Anwendungsfelder zu erschließen. C/SiC und SiC/SiC bei den nicht-oxidischen und oxidische Al2O3-faserverstärkte Verbundkeramiken spielen dabei die Hauptrolle.

Flüssigphasen-basierte InfiltrationsverfahrenEinklappen

In Verbundkeramiken werden Fasergerüste (Halbzeuge bzw. Preformen) von einer Matrix umgeben, die vor allem die Fasern schützt und Kräfte zwischen ihnen überträgt. Die Einbringung der Matrix kann über die Gasphasenabscheidung (CVI = Chemical Vapor Infiltration) oder über Flüssigphasen-basierte Prozesse (z. B. PIP = Polymer Infiltration and Pyrolysis) erfolgen. Die Infiltration mit Flüssigphasen steht in der Arbeitsgruppe Verbundkeramiken im Zentrum der Forschungsaktivitäten. Verschiedene Flüssigphasen von Polymeren, über Schlicker und metallische Schmelzen, werden intensiv auf Eignung als Matrix in Kombination zu C-, SiC- und oxidischen Verstärkungsfasern untersucht. Mit Flüssigphasen können Verbundkeramiken mit komplexen dreidimensionalen Geometrien einfach, schnell und effizient gefertigt werden. Besonders das PIP-Verfahren in Kombination mit der Infiltration durch schmelzflüssiges Silizium (Flüssigsilizierung bzw. LSI = Liquid Silicon Infiltration) finden Anwendungen und sind Gegenstand von grundlagenorientierten und anwendungsbezogenen Arbeiten.

Faserbeschichtungen und FaserbündelimprägnierungenEinklappen
Kohlenstofffaser mit nasschemischer Phenolharz-Beschichtung

Um den Einzelfaserschutz und die notwendige Faser-Matrix-Bindung über den gesamten Herstellprozess der Verbundkeramiken zu gewährleisten werden verschiedene Beschichtungen und Imprägnierungen entwickelt.

Beschichtungen zielen einerseits auf einen Schutz von Fasern vor den reaktiven Umsatz mit metallischen Schmelzen ab und haben andererseits die Funktion eine dünnen Interfaces, was die Rissumlenkung und den Faser Pull-Out ermöglichen soll, die Basis der Schadenstoleranz von Verbundkeramiken. Aus diesem Grund werden am Lehrstuhl flüssigbasierte Beschichtungen im Dip-Coating Verfahren auf Basis von C- und SiC-Precursoren entwickelt. Eine andere Möglichkeit, die Faser-Matrix-Bindung über die Oberflächenfunktionalitäten der Verstärkungsfasern zu modifizieren, sind thermische oder nasschemische Vorbehandlungsprozesse.

Duromere & thermoplastische MatricesEinklappen

Duromere und thermoplastische Matrices fungieren als Precursoren für keramische Matrices in den Verbundkeramiken. Aus den Polymeren entstehen nach der Keramisierung amorphe Kohlenstoffe, SiC, SiCO oder SiCN. C-Precursoren, wie z.B. Phenolharze sind sowohl thermoplastisch als auch duromer in Form von Novolaken oder Resolen verfügbar. Wichtig bei der Verwendung der Matrix-Precursoren ist eine hohe keramische Ausbeute, die auch im keramischen Zustand sicherstellt, dass die Verstärkungsfasern noch durch die Matrix geschützt sind und Kraft zwischen den Fasern übertragen werden kann. Neben den Phenolharzen, werden Si-Polymere (Siloxane, Polycarbosilane, etc.) als duromere Matrices verwendet. Bei den Thermoplasten spielen vor allem die Hochtemperaur-Polymere wie PEEK oder PEI neben den Phenolharzen die Hauptrolle. Duromere und thermoplastische Matrices werden besonders hinsichtlich ihrer Eignung für den PIP-Prozess, teilweise auch in Kombination mit dem LSI-Prozess untersucht und angewandt.

Biogene SiSiC KeramikenEinklappen
Gegenüberstellung WPC-Grünkörper und daraus hergetellten SiSiC-Keramiken

SiSiC Keramiken sind hochleistungsfähige, verschleißbeständige, harte und feste monolithische Keramiken. Ausgangsprodukte sind allerdings meist harte, primäre SiC Partikel, die verpresst, extrudiert oder spritzgegossen werden. Dabei kommt es zu einem beträchtlichen Verschleiß der Formwerkzeuge. Um diesen abrasiven Verschleiß zu verhindern und die Formenvielfalt der Grünkörper weiter zu erhöhen müssen neuen Ausgangsprodukte verwendet werden. Biogene, holzpartikelgefüllte polymere Verbundwerkstoffe (WPC = Wood Polymere Composites) sind eine attraktive Alternative. In Forschungsarbeiten gelang es diese WPC zu pyrolysieren und über die Schmelzinfiltration in SiSiC umzuwandeln. Die Entstehung des Rissmusters und die Ermittlung von Schrumpfungsmodellen sind Gegenstand anwendungsnaher Forschungsarbeiten am Lehrstuhl. Ziel ist es eine weitere Route zur Fertigung von Si-infiltrierten dichten und hochfesten SiC zu etablieren und die Grundlagen für die Entwicklung einer generativen Fertigung von SiC auf Basis von WPC zu schaffen. 

Metall-Keramik-HybrideEinklappen

Metalle sind sehr etablierte, zuverlässige Werkstoffe, deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit man vorhersagen kann. Im Hochtemperaturbereich, beispielsweise in Wärmekraftmaschinen (Dampf- und Gasturbinen) kommen Metalle jedoch an Ihre Grenzen, da hier die Wirkungsgrade oft nur durch die Steigerung der Einsatztemperaturen erreicht werden können. Dies führt zu niedrigeren Lebensdauern oder immer größeren Dimensionen, welche die Wirtschaftlichkeit senken.

Metall-Keramik-Hybride hingegen, verbinden konstruktiv die Vorteile der metallischen und der keramischen Werkstoffe. Metalle können durch Keramiken vor hohen Temperaturen geschützt und bei mechanischen Überlasten gestützt werden. Damit können Einsatztemperaturen erhöht und Lebensdauern verlängert werden.

Kraft- und formschlüssigen Metall-Keramik-Verbindungen stehen den stoffschlüssigen Metall-Keramik-Hybriden, in Beschichtungen oder in Durchdringungsgefügen von metallinfiltrierten Keramiken wie z.B. C/C-SiC gegenüber. Metallische Matrices oder Legierungen werden im LSI bzw. RMI (Reactive Melt Infiltration) Prozess verwendet und deren Infiltrations- und Reaktionseigenschaften in Kombination mit verschiedenen Verstärkungsfasern detailliert analysiert.

Feststoff-Brennzellen (SOFC)Einklappen

Das jüngste Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe ist die Charakterisierung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC, solid oxide fuel cell). In Kooperation mit Partnern werden die einzelnen Werkstoffe bzw. Bauteile entlang des Herstellungsprozesses sowie neue und betriebene Membranelektrodeneinheiten (MEA) untersucht. Die Untersuchungen erstrecken sich von der Mikrostruktur sowie der Phasenzusammensetzung hin bis zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften (Festigkeit, E-Modul). 

Folgende Analysemethode werden für die Charakterisierung der SOFC eingesetzt:

  • REM / EDX / EBSD
  • XRD + Rietveld-Methode
  • Raman-Spektroskopie
  • FT-IR-Spektroskopie
  • Dilatometrie
  • Thermogravimetrie
  • Laser Flash Analyse
  • Doppelring-Biegung
  • Impulserregungstechnik (IET)
  • HT-Prüfungen (im Aufbau)

Verantwortlich für die Redaktion: Dr.-Ing. Carolin Spatz

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