Die Abteilung Keramische Verbundstrukturen entwickelt Werkstoffe und Verfahren zur Fertigung thermisch und mechanisch hoch belastbarer keramischer Leichtbaustrukturen (Ceramic Matrix Composites) in einer geschlossenen Prozesskette - von der Materialentwicklung bis zur Prototypenfertigung. Die gezielte Verknüpfung von Materialcharakterisierung und zerstörungsfreier Analyse mit Berechnung und Simulation ermöglichen die Auslegung, Eigenschaftsvorhersage und Qualitätssicherung von Bauteilen und liefern die Grundlage für einen erfolgreichen Transfer in die Industrie.
Materialentwicklung
Neben Kohlenstofffasern arbeitet die Abteilung auch mit SiC- und oxidischen Fasern. Je nach Bauteilanforderungen und Fertigungsmöglichkeiten der Kunden entwickeln und nutzen die Mitarbeiter geeignete Verfahren und Werkstoffvarianten, legen Bauteile aus und definieren die optimale Herstellungstechnologie.
Beispiele für Werkstoffe:
C/C-SiC-Verbundkeramiken
UHTC-Verbundwerkstoffe
Biogene SiSiC-Keramiken
SiC/SiC-Verbundkeramiken
Oxidische Verbundkeramiken
Anwendungsbeispiele:
Thermalschutzsysteme für Raumfahrzeuge
Friktionsbauteile für PKW, Hochgeschwindigkeitsaufzüge oder Propellerflugzeuge
Ballistische Schutzsysteme
Hochsteife und ausdehnungsarme Gehäusestrukturen für Spiegelstrukturen und optische Komponenten
Wärmetauscher für Kraftwerke
Abgasdüsen für Antriebssysteme
Brennkammerbauteile für Gasturbinen und Triebwerke
Verfahrensentwicklung
Das Institut arbeitet mit mehreren Herstellungs- und Weiterverarbeitungsverfahren für CMC-Strukturen. Ziel ist es, für den jeweiligen Werkstoff und die produktspezifischen Anforderungen die beste Produktionsalternative – oder eine Kombination aus mehreren Verfahren – anzubieten. Bekannte Verfahren sind beispielsweise das LSI- oder das PIP-Verfahren.
Das Flüssigsilizierverfahren (kurz LSI, Liquid Silicon Infiltration) bietet deutliche Kostenvorteile bei der industriellen Herstellung von CMC-Hochleistungsstrukturen. Es wurde ursprünglich am Institut entwickelt und unter anderem durch den Transfer der Automobil-Hochleistungskeramikbremse in die industrielle Anwendung gebracht. Heute wird das LSI-Verfahren in der Industrie vielseitig angewandt und DLR-Wissenschaftler verbessern den Prozess kontinuierlich weiter. Beim LSI-Verfahren werden spezielle C/C-Vorkörper (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff) beziehungsweise poröse C-haltige Preformen mit flüssigem Silicium (Si) infiltriert. Das Si reagiert dabei mit einem Teil des C und bildet eine dichte Siliciumcarbid- (SiC) Matrix, in der die lasttragenden Kohlenstofffasern bzw. C/C-Bündel eingebettet sind.
Das Polymerinfiltrations- und Pyrolyseverfahren (kurz PIP) umfasst mehrere Zyklen aus Imprägnierung, Vernetzung und Pyrolyse. Durch die Veränderung einzelner Schritte kann die Matrix relativ flexibel und anwendungsbezogen hergestellt werden. Durch die Entwicklung von Faserbeschichtungssystemen gelingt es, die Reaktion zwischen Faser und Matrix während der Hochtemperaturprozesse zu kontrollieren und im Einsatz die gewünschten bruchzähen Eigenschaften einzustellen.
Keramische Hochleistungsbauteile
Die Arbeitsgruppe „Herstellung und Verfahrenstechnik“ kümmert sich um die Herstellung von Bauteilen über die verschiedenen Herstellverfahren. Dafür gibt es am Institut Autoklaven und große Ofenanlagen für Hochtemperaturprozesse mit Temperaturen von bis zu 1700 Grad Celsius. Die Mitarbeiter decken zahlreiche Kompetenzen ab: von der Laminier-, Wickel- oder Flechttechnik über Harzinfusionsverfahren (RTM) und Compoundentwicklung und –verarbeitung bis hin zur Zwischen- und Endbearbeitung durch Schleifen oder Wasserstrahlschneiden. Endkonturnahe Fertigungsverfahren minimieren dabei die Kosten und stellen sicher, dass die Herstellung wirtschaftlich ist. In Technologie-Transferprojekten werden die so entwickelten Bauteile mit begleitender Qualitätssicherung schließlich in marktfähige Produkte umgesetzt. Sein Fertigungs-Know-how gibt das DLR dann an die entsprechenden Industriepartner weiter.
Qualitätsprüfung und Lebensdauer
Eine umfassende technische Ausstattung ermöglicht der Arbeitsgruppe „Simulation und Engineering“ eine mikrometergenaue Ermittlung der Struktur von Bauteilen. Mehrere zerstörende und zerstörungsfreie Prüfmethoden dienen der Qualitätssicherung von Werkstoff und Bauteil.
Ultraschall- und Röntgenverfahren detektieren Bauteilfehler. Die Lock-In Thermografie ermöglicht eine Untersuchung von Oberflächenbeschichtungen. Außerdem besitzt das Institut zwei Computertomografie-Anlagen, mit denen die Wissenschaftler Bauteile dreidimensional untersuchen – vom massiven Metallbauteil bis hin zu kleinsten Materialproben. Mit speziellen in-situ-Prüfeinrichtungen werden Rissentstehung und Rissausbreitung während der Belastung detektiert und ausgewertet. Dilatometer, TG/DSC oder das Rasterelektronenmikroskop vervollständigen die gut ausgebaute Forschungsinfrastruktur.
Ziel dieser Forschungsarbeiten ist es, das Werkstoff- und Bauteilverhalten zu modellieren und vorherzusagen. Entsprechende Simulationen dienen dazu, Bauteile auszulegen. Aber auch herstellbedingte Defekte in fertigen Bauteilen können so bewertet werden, um Einsetzbarkeit und Lebensdauer der Bauteile unter Einsatzbedingungen abschätzen zu können.
Materialanalyse am Rasterelektronenmikroskop
Untersuchung der Mikrostruktur oder des Bruchquerschnitts geben Aufschlüsse über Materialeigenschaften und Schadensmechanismen.
Sehr flexibel: Aufgrund der Fasern können Kolbenringe aus C/C-SiC für den Einbau aufgeweitet werden. Dennoch liefern sie die für die Keramik typischen mechanischen Eigenschaften.
