Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Herstellung von Zirkoniumoxid verstärkten Aluminiumoxidfasern für Hochleistungsverbundwerkstoffe (ZTA-Fasern)

Keramikfasern sind wichtige Bestandteile neuer Hochtemperatur-Verbundmaterialien, die als Struktur- und Funktionsbauteile eingesetzt werden können. Speziell Oxid-Oxid-Verbundkeramiken aus oxidischen Fasern in einer oxidischen Matrix finden zunehmend Interesse in der Industrie, da mit ihnen neue Konzepte im Hochtemperatur-Leichtbau realisiert werden können. Die keramischen Verbundwerkstoffe haben ungewöhnlich hohe Bruchdehnungen und Schadenstoleranz. Dadurch sind sehr dünnwandige bruchzähe Strukturen mit extremer Temperaturwechselbeständigkeit herstellbar. Neben Einsatzmöglichkeiten bei Luft- und Raumfahrtanwendungen werden vom allem Vorteile in den Bereichen Brenner- und Turbinenbau gesehen. Die derzeit kommerziell verfügbaren oxidkeramischen Endlosfasern erfüllen die Anforderungen bezüglich Langzeitbeständigkeit nicht bzw. sind für die angestrebten Einsatzbereiche zu teuer.

Ziel des Vorhabens ist es, oxidkeramische Fasern herzustellen, die bezüglich Bruchzähigkeit und Biegefestigkeit alle bisher bekannten oxidkeramischen Fasern übertreffen. Die Fasern sollen hohe mechanische Beständigkeit und gute Verarbeitbarkeit aufweisen, um in oxidischen, faserverstärkten Keramiken (OCMCs) eingesetzt werden zu können.

Im Falle eines erfolgreichen Durchbruchs der Arbeiten stehen die dabei gewonnenen Erkenntnisse und Materialien vielen Bereichen offen, die sich zur Zeit noch mit Kompromissen abzufinden haben, wie z. B. der temperaturbedingten Verschleißanfälligkeit metallischer Konstruktionselemente.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden lagerstabile und verarbeitbare Spinnmassenzusammensetzungen gefunden, bei denen weder Gelierung noch Entmischung auftrat. Die Stöchiometrie der Spinnmassen wurde so eingestellt, dass ZTA-Fasern mit Gewichtsverhältnissen von Al₂O₃ : ZrO₂ von 85:15 und 95:5 erhalten wurden. In Trockenspinnversuchen konnten 90-Filament-Rovings hergestellt werden, die endlos auf Spulen gewickelt wurden. Die Umwandlung der Grünfasern in ZTA-Keramikfasern über Calcinier- und Sinterverfahren wurde eingehend erforscht und die Strukturbildungsprozesse u.a. mittels thermischer Analyse charakterisiert. Die Struktur der ZTA-Fasern wurde mittels Elektronenmikroskopie (REM und EDX) und Röntgenbeugung (WAXS) untersucht. Die Fasern bestanden aus der gewünschten Dispersionskeramik mit gleichmäßig im Al₂O₃ verteilten ZrO₂-Körnern. Die Eignung der ZTA-Fasern für die Weiterverarbeitung zu oxidischen Faserverbundkeramiken (OCMCs) konnte nur indirekt nachgewiesen werden, indem mechanische Kennwerte ermittelt wurden und das Hochtemperaturverhalten untersucht wurde. Mangels Fasermaterial konnten keine Webversuche und aussagekräftigen Messungen an OCMC-Proben durchgeführt werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass wichtige Erkenntnisse erhalten und Grundlagen geschaffen wurden, die für potentielle Hersteller solcher Fasern von großer Bedeutung sind. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur Strukturbildung sind Voraussetzung für die reproduzierbare Herstellung solcher Fasern. Dass die Fasern bezüglich Hochtemperaturbeanspruchung resistenter sind als reine Aluminiumoxidfasern, konnte ebenfalls nachgewiesen werden. ZTA-Fasern stellen für industrielle Anwendungen eine sehr interessante Ergänzung der kommerziell erhältlichen Al₂O₃ und Al₂O₃/SiO₂-Fasern dar. Speziell für die derzeit hochaktuelle Entwicklung von OCMCs für den Einsatz in stationären Gasturbinen und Flugturbinen haben diese Fasern großes Potential.