Innovative wirtschaftliche Fertigungsroute für oxidationsgeschützte C/C-Verbundwerkstoffe
Im Rahmen des von der IGF geförderten Forschungsprojektes „KOPRA“ untersuchen und erproben drei Chemnitzer Forschungseinrichtungen in interdisziplinärer Zusammenarbeit eine kostengünstige Herstellungsroute für kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe (C/C).
C/C gehört zur Gruppe der technischen faserverstärkten Keramiken und kommt zum Einsatz, wenn technische Prozesse bei sehr hohen Temperaturen stattfinden – etwa bei Wärmebehandlungen von Metalllegierungen. Der Verbundwerkstoff entsteht, indem kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) mit einer Phenolharzmatrix (PF) bei Temperaturen größer 1000 °C pyrolysiert wird, wobei alle Bestandteile – außer Kohlenstoff – aus dem CFK entweichen.
Aktuell ist die Fertigungsroute sehr aufwändig und teuer. Eine Verbesserung der Akzeptanz von C/C für breiten industriellen Einsatz erfordert deshalb eine energieeffiziente und wirtschaftliche Formgebung der zugrundeliegenden CFK-Grünkörper. Ein Lösungsansatz ist die Fertigung der CFK-Faserhalbzeuge über das hocheffiziente Pultrusionsverfahren.
Angepasste Pultrusion
Pultrusion ist eines der wirtschaftlichsten Herstellungsverfahren für CFK. Am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) werden im Projekt CFK-PF-Profile mit uni- und multiaxialer Faserauslegung entwickelt, die als Ausgangsmaterialien für die Carbonisierung zu C/C-Verbunden dienen. Additive wie Graphit (Gr) und Silizium (Si) werden im Pultrusionsprozess eingearbeitet, um die charakteristische C/C-Porosität zu beeinflussen und um die Verschleißbeständigkeit und die Haftung der nachfolgend applizierten Schlichtsysteme zu verbessern.
Darüber hinaus liegt ein besonderer Fokus auf der Realisierung gradierter Strukturen mit unterschiedlichen Füllstoffanteilen (Si-reiche Randschicht; Gr-reicher Kern). Mittels Pultrusion können dabei endkonturnahe Halbzeuge gefertigt werden (bspw. L-Profile, Rundstäbe etc.), die direkt und ohne Verschnitt für verschiedene Konstruktionen genutzt werden können.
Projektübersicht
Das richtige Harzsystem
Die Professur Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde (PVW) der TU Chemnitz validiert potenzielle Harzsysteme als Ausgangsprecursoren für die Herstellung von C/C. PVW beschäftigt sich zudem mit der Konvertierung der pultrudierten CFK-Faserhalbzeuge zu C/C sowie mit der begleitenden physikalischen, mikrostrukturellen und mechanischen Werkstoffanalyse.
Die Eigenschaften der resultierenden C/C-Profile können gezielt durch eine nachfolgende Infiltration beeinflusst werden. Daher werden die C/C-ultrusionsprofile hinsichtlich ihres Nachverdichtungsverhaltens – etwa mit C-Precursoren oder flüssigem Silizium – untersucht und optimiert. Ein Ziel ist die Ausbildung von Siliziumcarbid (SiC) an der Oberfläche des C/C-Werkstoffs.
Ergebnis mit Schutzschicht
C/C sind hervorragende Hochtemperaturwerkstoffe, jedoch auch anfällig gegenüber Oxidation und Verschleiß. Dies wirkt sich negativ auf ihre Lebensdauer aus, insbesondere bei Einsatz unter Sauerstoffatmosphäre. Für einen längeren Einsatz, zum Beispiel im Ofenbau oder als Chargiergestell, ist ein Schutz durch geeignete Schichtsysteme unabdingbar.
Hierzu applizieren die Teams der Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik (WOT) der TU Chemnitz mittels thermischen Spritzens verschiedene Schichtsysteme auf die C/C-Profile, bestehend aus einer metallischen Haftgrundschicht und oxidkeramischen Deckschicht. Dann prüfen sie diese Profile hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit unter anwendungsnahen thermozyklischen Bedingungen. Durch SiC kann die Haftung der Beschichtung an der Oberfläche der C/C-Substrate verbessert werden.
Kontakt:
TU Chemnitz, Professur Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Guntram Wagner
+49 371 531-361 71
guntram.wagner@mb.tu-chemnitz.de
www.tu-chemnitz.de/mb/iww/
