Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Weiterentwicklung von Zinkoniumoxid verstärkten Aluminiumoxidfasern für den Einsatz in Gasturbinen und anderen Hochtemperaturanwendungen (Optimierung ZTA-Fasern) - Anschlussantrag

Keramische Verbundwerkstoffe etablieren sich zunehmend als neue Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen, da sie Metallen bezüglich Hochtemperaturbeständigkeit überlegen sind, extrem temperaturwechselbeständig und durch die Keramikfaserverstärkung im Gegensatz zu konventionellen Keramiken auch schadenstolerant sind. Speziell im Bereich Gasturbinen wird der Einsatz dieser Werkstoffe als sehr aussichtsreich gesehen. Oxidkeramische Fasern sind essentieller Bestandteil von Oxid-Oxid-Faserkeramiken, die in Gasturbinen eingesetzt werden können. Kommerziell erhältlich sind derzeit Fasern aus Aluminiumoxid und Aluminiumoxid/Mullit. Da in den Gasturbinen bei der Verbrennung Wasserdampf entsteht, besteht das große Problem einer Schädigung dieser Fasern in der Wasserdampfatmosphäre. Es ist bekannt, dass sich Zirkoniumoxid unter diesen Bedingungen äußerst resistent verhält.

In dem geplanten Forschungsvorhaben soll die Weiterentwicklung der im Vorläuferprojekt entwickelten ZTA-Fasern für einen Langzeiteinsatz in Gasturbinen und für andere Hochtemperaturanwendungen im Fokus stehen, in denen neben einer guten Verarbeitbarkeit der Fasern auch die erhöhte Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit zum Tragen kommen kann.

Ausgehend von den Ergebnissen des Vorläuferprojekts sollen die wissenschaftlich-technischen Grundlagen für eine Hochskalierung des gesamten Herstellungsprozesses erarbeitet werden. Die Struktur und das Hochtemperaturverhalten (Kriechen, HT-Festigkeit) sollen optimiert und dadurch die Verarbeitbarkeit der Fasern zu Geweben verbessert werden. Zudem soll die Performance der Fasern in oxidischen Verbundwerkstoffen untersucht werden. Die komplette Wertschöpfungskette der Herstellung von ZTA-Fasern und Verarbeitung zu technischen Textilien und keramischen Verbundwerkstoffen kann im Hinblick auf die maßgeschneiderte Entwicklung für die jeweilige Anwendung der speziellen Materialien von kleinen und mittelständischen Unternehmen abgedeckt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Vorhabens wurden verschiedene Zirkoniumoxid verstärkte Aluminiumoxidfasern (ZTA-Fasern) erstmals in Europa im Pilotmaßstab kontinuierlich hergestellt. Es konnte gezeigt werden, dass hierbei Zirkoniumoxid-Gehalte von bis zu 15 Gew.-% realisiert werden können. Bereits beim Einbau von 3 Gew.% Zirkoniumoxid wurden im Vergleich zu reinen Aluminiumoxidfasern eine verbesserte Biegebruchfestigkeit bei kleinen Biegeradien und eine tendenziell verbesserte Performance in einem keramischen Verbundwerkstoff beobachtet. Das verbesserte Biegebruchverhalten wirkt sich direkt positiv auf die Verarbeitbarkeit der Fasern, z.B. im Webprozess, aus. Der Vorteil der Erhöhung der Bruchfestigkeit von keramischen Verbundwerkstoffen bei Verwendung der neuen Fasern, die in weiteren Versuchen noch statistisch untermauert werden muss, liegt auf der Hand.

Die Einzelfaserzugfestigkeiten von Fasern mit 3 und 15 Gew.-% Zirkoniumoxid lagen mit 1960 MPa und 2090 MPa wenig unter dem Niveau der reinen Aluminiumoxidfasern (2140 MPa), die allerdings bereits über Jahre optimiert wurden.

Außerdem wurde im Projekt untersucht, ob prinzipiell auch noch höhere Zirkoniumoxidgehalte realisierbar sind. Hier wurden Spinnmassen mit bis zu 85 Gew.-% Zirkoniumoxid hergestellt. Dabei zeigte sich, dass bis zu einem Gehalt von 50 Gew.-% durch entsprechende Erhöhung eines zugesetzten Stabilisators noch stabile fadenziehende Spinnmassen erzeugt werden können. Bei noch höheren Gehalten trat eine Gelierung der Systeme auf, so dass kein Fadenziehvermögen mehr vorhanden war.

Die im Projekt gewonnen Erkenntnisse bieten die Grundlage zur Herstellung neuer Keramikfasertypen und damit auch zur Herstellung von neuen keramischen Verbundwerkstoffen mit verbesserten Eigenschaften. Diese Werkstoffe werden in den Bereichen Industrieofenbau, Energietechnik (Reaktoren zur Synthesegaserzeugung) und in der Luft- und Raumfahrttechnik zunehmend wichtiger als Komponenten für den Hochtemperaturleichtbau.