Faserverbundkeramik

Verantwortliche

Prof. Dr.-Ing. Stefan Schafföner, Universität Bayreuth

Prof. Dr. Frank Ficker, Hochschule Hof

Hochmoderne Bauteile müssen für Spezialanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Sicherheitstechnik oder der Energieversorgung immer mehr Funktionen übernehmen. Dabei werden vielfältige Anforderungen an die Bauteile gestellt. Diese Materialien sollen hohen Temperaturen standhalten, korrosionsbeständig sein und über eine lange Lebensdauer verfügen. Keramische Materialien sind zwar temperaturbeständig und nahezu korrosionsresistent, aber nicht sehr schadenstolerant, versagen spröde und sind sehr anfällig für Stöße oder plötzliche Verformungen. Um für die genannten Branchen Materialien zu entwickeln, die einerseits die positiven Eigenschaften der Keramik mitbringen und andererseits die notwendige Schadenstoleranz gegen ein schnelles Bauteilversagen innehaben, bedarf es innovativer Forschungs- und Entwicklungsarbeit.

Um das Ziel nicht-spröde versagender keramischer Werkstoffe zu erreichen, sollen in diesem Projekt Textilien aus Kohlenstofffasern entwickelt werden, die als Verstärkungsphase in eine keramische Matrix eingebettet werden. Kohlenstofffasern verfügen über eine hohe Zugfestigkeit und verleihen so der Keramik die Fähigkeit, Stößen oder Druckbelastungen zu widerstehen. Im Rahmen dieser Forschung werden daher verschiedene textile Carbonfaser-Strukturen entwickelt, die abhängig von Aufbau und Verarbeitung der Fasern (Gelege, Gestricke, Vliese oder auch mehrlagige, verdichtete Verbunde) die Festigkeit und das Versagensverhalten des endgültigen keramischen Werkstoffs zielgerichtet beeinflussen, so wird beispielsweise die beste Stabilität immer entlang und nicht quer zur Faser erreicht. Die entscheidende Herausforderung besteht jedoch darin, diese textilen Strukturen oder Halbzeuge in eine 3D-Form zu bringen, die dem finalen Bauteil sehr nahe kommt (sog. Preform).

Abbildung: Hut-Struktur als Beispiel für eine gewölbte Textil-3D-Preform; Herstellung mittels Stricktechnik; Quelle: Forschungsgesellschaft für Textiltechnik Albstadt mbH

Im Einzelnen bedeutet dies, dass die Produktionsverfahren an die Besonderheiten von Kohlenstofffasern angepasst und gleichzeitig die Anforderungen der keramischen Bauteile an eine formstabile textile Struktur erfüllen müssen. Die Partner der Keramikbranche sind im Anschluss an die Textilentwicklung gefordert, Techniken zu entwickeln, um die Kohlenstofffasern während des Keramisierungsprozesses vor den hohen Temperaturen und möglichen, degenerativen Reaktionen zu schützen. Dies ist im Einzelnen für die unterschiedlichen Anwendungen der Bauteile, wie z.B. Bremsscheiben, Gleitlager oder Raumfahrtbauteile, an die partnerspezifischen Prozesse anzupassen und individuell zu optimieren. Im Verlauf des Projekts werden die elf namhaften Projektpartner des Konsortiums anspruchsvolle, mechanische Prüfungen an den Bauteilen vornehmen und den Projektverlauf kontinuierlich dokumentieren. Die gewonnenen Daten der inneren Struktur der Prüflinge dienen darüber hinaus als Basis für ein Simulationsprogramm, mit dessen Hilfe in Zukunft die Eigenschaften für eine erfolgreiche Bauteilauslegung berechnet werden können.

 Das Verbundprojekt "Anforderungsgerechte hochdrapierbare Carbon-Gelege-Faser-Prefomen für effiziente Faserberbundkeramiken - CaGeFa" ist eine Fördermaßnahme des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).

Projektlaufzeit: 01.10.2014 - 30.09.2017

 
Projektpartner und Aufgaben: