Neue Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix

Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix wurden bereits bei anspruchsvollen weltraumorientierten Anwendungen im Hochtemperaturbereich genutzt. Wie sich zeigte, könnten die Herstellungs-, Transport- und Energiesektoren hiervon deutlich profitieren. Die Herstellung dieser fortschrittlichen Materialien ist derzeit allerdings kompliziert und teuer, sie macht lange Verarbeitungszeiten erforderlich und hat einen hohen Energieverbrauch.

Die Überwindung dieser Herausforderungen, um neuen Werkstofftechnologien den Weg zu ebnen, ist die treibende Kraft hinter dem EU-geförderten Projekt HELM. Die Projektwissenschaftler untersuchen innovative Mikrowellenerwärmungstechnologien, um diese auf kurze Sicht in Standard-Wärmebehandlungsverfahren zu integrieren und schließlich als Ersatztechnologie zu etablieren.

Mikrowellenerwärmungstechnologien versprechen eine Reduzierung der Behandlungsdauer um mindestens 60 % und des Energieverbrauchs um 50-60 %, wodurch weitere Kosteneinsparungen möglich sind. Bei den untersuchten konventionellen Verfahren handelt es sich um die chemische Gasphaseninfiltration (Chemical Vapour Infiltration, CVI), die flüssige Silikoninfiltration (Liquid Silicon Infiltration, LSI), die Graphitexpansion (Graphite Expansion, GE) sowie die Polymerimprägnierung und Pyrolyse (Polymer Impregnation and Pyrolysis, PIP).

Es wird erstmals ein Mikrowellen-CVI-Ofen hergestellt, der komplett aus Graphit besteht, um eine Kontamination der hergestellten Stoffe zu verhindern. Anhand von Modellen wurde eine fundierte Beschreibung des thermischen und elektromagnetischen Ofenverhaltens hinsichtlich der Graphitwände erleichtert. Der Ofen im Pilotmaßstab ist annähernd fertiggestellt.

Tests an einem bestehenden Mikrowellen-LSI-Ofen im Labormaßstab führten zu äußerst vielversprechenden Resultaten. Die Verflüssigung des Silikons setzte innerhalb von nur wenigen Minuten ein, wohingegen dies in einem konventionellen Industrieofen mehrere Stunden dauert. Zum Zwecke weiterer Tests und Optimierungen befinden sich derzeit ein größeres System im Labormaßstab und ein System im Pilotmaßstab in der Herstellung. Das Mikrowellen-GE-Verfahren erwies sich ebenfalls als äußerst schnell und effektiv. Ein Ofen im Labormaßstab wird derzeit in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie entwickelt.

Aufbauend auf dem Erfolg mit der Mikrowellen-CVI-Ofenkammer, bei der kein Quarz zur Anwendung kommt, erfolgt die Mikrowellenerwärmung im Rahmen des PIP-Verfahrens ohne Quarzhohlraum. Simulationen erleichterten die Erstellung eines Entwurfs, der in der Lage war, ein einheitliches Mikrowellenfeld zu erreichen.

Die HELM-Wissenschaftler sind auf einem guten Weg, in absehbarer Zeit eine neuartige Mikrowellenerwärmungstechnologie zu entwickeln, die die Behandlungsdauer und den Energieverbrauch schon im Vergleich zu standardmäßigen Wärmeverfahren signifikant senkt. Die Verarbeitung wird eine einfachere Herstellung von kosteneffektiveren und hochqualitativen Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix sowie expandierten Graphitfüllstoffen ermöglichen, wodurch neue Mikrostrukturen erreicht werden können, die derzeit mit konventionellen Technologien nicht zugänglich sind.