 Nasenkappe des Raumgleiters X-38 als Beispiel für ein CMC-Strukturbauteil |
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Da monolithische Keramiken praktisch keinerlei Schadenstoleranz aufweisen, versagen sie bei Überlastung meist schlagartig und katastrophal. Risse, die von Fehlstellen, wie z.B. Poren und Oberflächenschäden ausgehen, können nicht gestoppt werden und laufen daher ungehindert durch das komplette Bauteil. Da die Anzahl der Fehlstellen mit dem Bauteilvolumen zunimmt, nimmt die Versagenswahrscheinlichkeit bei großen Strukturen zu, was wiederum zu reduzierten, zulässigen Spannungen und hohen Wandstärken führt.
Im Gegensatz dazu zeichnen sich faserverstärkte Keramiken durch eine deutlich höhere Schadenstoleranz und ein quasiduktiles Bruchverhalten aus. Entstehende Risse können an den Faser / Matrix- Grenzflächen, sowie an Mikroporositäten gestoppt werden. Die Festigkeiten von CMC-Werkstoffen sind daher unabhängig von der Bauteilgröße und ermöglichen die Herstellung mechanisch und thermisch extrem belasteter, dünnwandiger Leichtbaustrukturen.
Bei der Herstellung von C/C-SiC Bauteilen hat das Institut ein international anerkanntes Entwicklungsniveau erreicht. Schwerpunkte der Arbeiten bilden die computergestützte Dimensionierung mithilfe der Finite Element Methode (FEM, Ansys), die werkstoff- und fertigungsgerechte Auslegung und Konstruktion mit modernen CAD-Werkzeugen (Unigraphics), sowie die Fertigung von Versuchsmustern in Originalgröße. Hierbei steht die gesamte Prozesskette von der Wareneingangskontrolle der Ausgangsmaterialien bis hin zur Bauteilqualifikation durch zerstörungsfreie und zerstörende Prüfung bei Temperaturen bis zu 1700 °C zur Verfügung.
Die Haupteinsatzbereiche liegen bei heißen, bzw. ausdehnungsarmen Leichtbaustrukturen in der Luft- und Raumfahrt. Hier stellen faserkeramische Werkstoffe eine Schlüsseltechnologie dar und konnten bei Thermalschutzsystemen, Raketenantrieben und Teleskopstrukturen bereits erfolgreich umgesetzt werden. In direkter Zusammenarbeit mit Industriepartnern wurden C/C-SiC Bauteile im Bereich der Bremsentechnik und der Flugkörperantriebe erfolgreich entwickelt und in eine industrielle Serienfertigung überführt.
Entwicklungsschwerpunkte sind:
- CMC-Thermalschutzsysteme aus nichtoxodischen und oxidischen CMC-Werkstoffen für die Luft- und Raumfahrt.
- Ausdehnungsarme und steife C/C-SiC Teleskopstrukturen.
- Korrosions- und abrasionsbeständige C/C-SiC Leichtbaukomponenten für Raketenantriebe.
- Heißgasführungen in Flugzeugtriebwerken und stationären Gasturbinen.
- Leichtbaupanzerungen und Hochtemperatur-Wärmeübertrager aus biomorphen SiSiC-Werkstoffen.
- Strahlungsbrennerkomponenten aus hochporösen SiC-Strukturen.
- C/C-SiC Bremsscheiben und Reibbeläge sowie weitere Spin-off Aktivitäten.