Oxidkeramische Faserverbundwerkstoffe (OFC) mit dreidimensionaler Verstärkungsarchitektur

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Gries; Professor Dr.-Ing. Walter Krenkel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265438709

Strukturwerkstoffe für Einsatztemperaturen über 1000 °C in korrosiver Atmosphäre sind Schlüsselelemente für Entwicklungen in der Energiewandlung, der Verkehrstechnik und der Metallurgie. Für diese Anwendungsfälle sind oxidische Faserverbundkeramiken (Oxide Fiber Composites bzw. OFC) prädestiniert. OFC sind chemisch beständig und inhärent oxidationsstabil. Die Verwendung als Strukturwerkstoff ist möglich, da die OFC auch bei hohen Temperaturen sowie großen Temperaturgradienten ein schadenstolerantes Bruchverhalten zeigen. Sie haben eine Dichte unterhalb von 3 g/cm3 und verfügen über massenspezifische mechanische Eigenschaften, die über denen der metallischen Superlegierungen liegen.Um das schadenstolerante Bruchverhalten einzustellen, verfolgt die Werkstoffforschung zu OFC vorrangig zwei Forschungsansätze. Im ersten Ansatz wird versucht, durch eine Beschichtung die Bindung zwischen Verstärkungsfaser und Matrix gezielt schwach einzustellen. Die Anwendung von Faserbeschichtungen scheitert aber bisher in der Praxis an der ungenügenden Langzeittemperaturbeständigkeit sowie an der Homogenität der Beschichtung. Im zweiten Ansatz wird an der Erzeugung eines bruchzähen und fehlertoleranten Materialverhaltens der Verbundkeramik mit dem Konzept der porösen Matrix geforscht. Die mechanischen Eigenschaften sind bei matrixdominierten, komplexen und interlaminaren Belastungssituationen im Vergleich zu Verbundwerkstoffen mit Faserbeschichtung jedoch niedriger. Dieses Defizit der porösen Matrix soll im vorliegenden Forschungsvorhaben durch eine belastungsgerechte dreidimensionale Verstärkungsstruktur und durch ein gezielt eingestelltes Matrixdesign beseitigt werden. Im Erfolgsfall steht erstmals ein oxidischer Faserverbundwerkstoff zur Verfügung, der konstruktiv z.B. in Gasturbinen, Wärmetauschern oder in der Medizintechnik eingesetzt werden kann.Die Herstellung geeigneter dreidimensionaler Strukturen mit lokal annähernd beliebiger Faser¬orientierung ist nur auf einem 3D-Flechter möglich. Jedoch kommt es prozessbedingt zu hoher Faserschädigung. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, am Institut für Textiltechnik (ITA) erstmalig eine 3D-geflochtene Struktur mit oxidischen Fasern zu realisieren. Die Adaptierung des 3D-Flechtens für die Verarbeitung der extrem spröden Keramikfasern steht im Fokus. Parallel dazu wird am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe (CME) eine Herstellungsroute für 3D-OFC entwickelt. Die Infiltration der Faserpreforms mit Schlickern sowie die Bereitstellung eines schwindungsfreien Matrixsystems sind dabei Schwerpunkte. Die homogene Infiltration von großvolumigen Faserpreforms ist beispielsweise weitaus anspruchsvoller als die Infiltration von Rovings oder dünnen Geweben. Final werden Werkstoffkennwerte für die neu entwickelte, 3D-langfaserverstärkte oxidische Verbundkeramik ermittelt. Von besonderem Interesse ist die Korrelation zwischen Verstärkung in z-Achse und der Schubfestigkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen