Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zur kosteneffektiven Herstellung qualitativ hochwertiger oxidischer Keramikfasern für Hochtemperaturwerkstoffe

Keramikfasern haben eine Spitzenstellung im Bereich hochtemperaturbeständiger Fasern und sind Schlüsselkomponenten von keramischen faserverstärkten Verbundwerkstoffen (Ceramic Matrix Composites, CMCs). Durch die Einbettung von Keramikfasern in eine keramische Matrix werden die mechanischen Eigenschaften dieser CMCs gegenüber einer monolithischen Keramik verbessert, wobei alle Vorteile von Keramiken (Temperaturstabilität, Korrosions¬beständigkeit) erhalten bleiben. Neben ihrer Schadenstoleranz sind diese Werkstoffe besonders temperaturwechselbeständig und lassen aufgrund des geringen Schrumpfs bei der Herstellung die endkonturnahe Fertigung sehr dünnwandiger und großer Strukturen zu. Dies macht die Materialien für verschiedenste technische Anwendungen hochinteressant (Luft-/Raumfahrt, Brenner- und Turbinenbau, etc.). Die komplette Wertschöpfungskette der Herstellung von oxidischen Keramikfasern 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. Ausgehend vom gegenwärtigen, hohen Entwicklungsstand der vom ITCF entwickelten Keramikfasern (Korund und Mullit) besteht in dem geplanten Projekt die Möglichkeit, die notwendige Basis für die industrielle Herstellung von oxidischen Keramikfasern zu legen. Während die wissenschaftlichen Grundlagen zur Strukturbildung der Keramikfasern bereits in der Vergangenheit erarbeitet wurden, ist die Zielsetzung dieses Forschungsprojekts die Erarbeitung von wissenschaftlich-technischen Grundlagen für eine kosteneffektive Herstellung der Fasern. Dies soll durch die Analyse, Bewertung und Optimierung kritischer Prozessschritte (Lagerungsfähigkeit von Grünfasern, maximale Prozessgeschwindigkeit, Erhöhung der Filamentzahl, Rezyklierbarkeit von Prozessabfällen) im Hinblick auf Kosten, Produktivität und erreichbares Qualitätsniveau erzielt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Während in bisherigen Forschungsvorhaben die Endeigenschaften der Keramikfasern, weitgehend unabhängig von den Herstellungsbedingungen, im Fokus standen, wurden in diesem Projekt die Grenzen ausgelotet, innerhalb derer hochwertige Fasern hergestellt werden können. Bezüglich Kosteneinsparungen wurde auch das Thema Recycling von Prozessabfällen näher beleuchtet.

Während beim Spinnprozess die bisher bereits erreichten Produktionsgeschwindigkeiten von maximal 150 bzw. 155 m/min (für Korund bzw. Mullit) nicht weiter gesteigert werden konnten, konnten die Verweilzeiten in den thermischen Prozessen, abhängig von der Faserart, mehr oder weniger deutlich verkürzt werden.

Im Falle der Aluminiumoxid-Fasern konnten die Produktionsgeschwindigkeiten im Kalzinierungsschritt um 20% und im Sinterprozess sogar um 180% gesteigert werden. Weniger Steigerungspotenzial wurde bei den Mullitfasern ermittelt. Hier war mit den bisher bekannten Verweilzeiten im Kalzinierungsschritt bereits eine Grenze erreicht, während bei Sintervorgang noch eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit um 8% erreicht werden konnte.

Im Projekt wurden zudem eingehend die klimatischen Randbedingungen für eine reproduzierbare Herstellung von hochwertigen Fasern ermittelt.

Die Untersuchungen zur Herstellung von Rovings mit erhöhter Filamentzahl haben gezeigt, dass dies nicht ohne weitere Modifizierungen des Prozesses möglich ist. Rovings mit doppelter Filamentzahl (ca. 1K) konnten zwar kontinuierlich kalziniert und gesintert werden, allerdings wurden geringere Endfestigkeiten der Fasern erhalten. Bei noch höheren Filamentzahlen traten erhebliche Schädigungen der Fasern durch die während der Kalzinierung freigesetzten Pyrolyseprodukte auf.

Als weiteres wichtiges Projektergebnis konnte nachgewiesen werden, dass Prozessabfälle problemlos in den Prozess zurückgeführt werden können, was zu einer Kosteneinsparung auf Seiten der Rohstoffe von ca. 16% führt.