Rohre aus dem oxidischem Faserverbundwerkstoff WHIPOX®
Ein innovativer oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff für Hochtemperatur-Anwendungen in Luftfahrt, Raumfahrt und Energietechnik
Sowohl für den zukünftigen Luftverkehr als auch für die dezentrale Energiegewinnung sind energieeffiziente und umweltfreundliche Gasturbinen von hoher ökonomischer und ökologischer Bedeutung. Daher ist die Realisierung schadstoffarmer Gasturbinen mit verbessertem thermischem Wirkungsgrad ein vorrangiges Forschungs- und Entwicklungsgebiet des DLR. Dieses Ziel kann unter anderem durch die Entwicklung innovativer Werkstoffe erreicht werden, beispielsweise durch die Auskleidung von Turbinen-Brennkammern mit hochtemperaturbeständigen keramischen Faserverbundwerkstoffen, die bei geringerem Kühlluftverbrauch eine deutlich höhere Verbrennungstemperatur ermöglichen. Dieses Konzept wird sowohl für Flugzeugturbinen als auch für stationäre Gasturbinen zur Energieerzeugung verfolgt. Für die Raumfahrt bzw. den Hyperschallflug werden Leichtbaustrukturen aus oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffen entwickelt und getestet. Ein besonderer Vorteil ist hierbei ihre hohe elektromagnetische Transparenz, so dass für Radarstrahlung bzw. Telemetriedaten durchlässige Thermalschutzsysteme realisierbar sind.
Entwicklung und Herstellung von WHIPOX™
Wickelanlage zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen
Die Herstellung von WHIPOX-Verbundwerkstoffen beginnt mit dem Design des Wickelkörpers und einem dafür optimierten Wickelmusters. Die Wickelmuster werden mittels modernster CAD-Software entworfen und auf die CNC-Steuerung der Wickelanlage übertragen. Im Wickelprozess wird ein kontinuierliches Bündel von Keramikfasern mit einer flüssigen Matrix-Dispersion infiltriert und auf einem rotierenden Kern aufgewickelt. Die Wickelkörper werden getrocknet und bei hohen Temperaturen in Luft gesintert. Alternativ dazu können die Wickelkörper vor dem Trocknen aufgetrennt und beispielsweise zu Platten umgeformt werden. Die typische Wandstärke der Wickelkörper reicht von unter 0,5 bis zu mehr als 5 mm. Durch Laminieren oder Fügen können auch Komponenten mit größeren Wandstärken oder komplexerer Geometrie gefertigt werden. Nach dem Sintern kann WHIPOX vergleichsweise einfach durch Sägen, Bohren, Fräsen, oder Schleifen auf die gewünschte Endkontur bearbeitet werden. Neben der Variation des Wickelmusters und den verwendeten Keramikfasern ist die Entwicklung keramischer Matrices ein Schlüsselfaktor zur Optimierung der Eigenschaften von keramischen Faserverbundwerkstoffen. Dazu werden neueste Geräte zur Synthese, Aufbereitung und Charakterisierung von keramischen Materialien eingesetzt. Die WHIPOX Material- und Komponentenentwicklung wird auf einer selbst konzipierten und gebauten Wickelanlage durchgeführt. Für die Herstellung von großen WHIPOX-Komponenten im Technikums-Maßstab steht seit 2013 eine industrielle Wickelanlage zur Verfügung, welche die Herstellung von Wickelkörpern mit Durchmessern von bis zu 1000 mm und Breiten von bis zu 3000 mm erlaubt.
Potentielle Anwendungen von WHIPOX™ außerhalb der Luft- und Raumfahrt
Aufgrund der exzellenten Thermowechselbeständigkeit und einer niedrigen Wärmekapazität eignen sich WHIPOX-Bauteile ausgezeichnet für die industrielle Wärmetechnik, (z.B. Chargiergestelle, Brennerdüsen) besonders wenn extrem schnelle Aufheiz- bzw. Abkühlraten gefordert sind. Die elektromagnetische Transparenz von WHIPOX ermöglicht induktives Beheizen oder induktiv gesteuerte Krafteinleitungssysteme in der Schmelzmetallurgie. Mit steht WHIPOX ein elektrischer Isolator zur Verfügung der bei Temperaturen bis oberhalb 1000°C eingesetzt werden kann und dabei ein nicht-sprödes Bruchverhalten zeigt. Die in weitem Maße variable Permeabilität macht WHIPOX zu einem attraktiven Material für hochtemperatur- und korrosionsbeständige Filter. Auch für solarthermische und thermochemische Prozesse stellt WHIPOX eine attraktive Alternative zu monolithischer Ingenieurkeramik aus Korund dar.