Abschlussbericht zum BMBF-Forschungsvorhaben. Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau (BioCerAb)

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1 Abschlussbericht zum BMBF-Forschungsvorhaben Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau Verbundprojekt im Rahmen der BMBF - Ausschreibung BIONA - Bionische Innovationen für nachhaltige Produkte und Technologien Teilprojekt 1: Technologie und Bauteilkonzepte Beitrag der Firma, Gießen Förderkennzeichen: 01RB0703A Laufzeit des Vorhabens: Verantwortlich: Dr. R. Weiß Hr. A. Lauer Datum: Rodheimer Straße Heuchelheim

2 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 1 von 115 INHALTSVERZEICHNIS I Ziel, Struktur und Umfeld des Projektes...2 I.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung der Arbeiten...2 I.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde...3 I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens...7 I.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand vor Projektbeginn...10 I.4.1 Literatur zum wissenschaftlichen und technischen Stand...13 I.4.2 Stand der Patentliteratur zu Beginn des Projektes...15 I.4.3 Patentliteratur zu Projektbeginn...16 I.4.4 Veröffentlichungen zu biogener Keramik im Projektzeitraum...17 I Veröffentlichungen im Projektzeitraum...17 I.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen und Kooperationen...17 II Wissenschaftliche und technische Ergebnisse...19 II.1 Einleitung...19 Aufgaben / Aufgabenverteilung / Ziel...19 II.1.1 Charakterisierung und Modifizierung der biogenen Halbzeuge...21 II.1.2 Ergebnisse der Carbonisierung von Holzfaserplatten im industriellen Maßstab (AP2)...32 II Einleitung...32 II Carbonisierungsergebnisse von Holzfaserplatten unter industriellen Bedingungen...33 II Stapelversuche...36 II Ebenheit biogener Carbonisatplatten...38 II Einfluss der Nachverdichtungsschritte auf die C-Dichte von Holzfaserplatten...46 II.1.3 Silizierung biogener Strukturen...52 II Einleitung...52 II.1.4 Demonstratorentwicklung...55 II Designvorgaben...55 II Klebstoffscreening für Holzfaserplatten...58 II Klebstoffscreening für biogene Carbonisate...62 II Einfluss der Klebtechnik auf die Silizierbarkeit der Fügestellen...65 II Fügeversuche von Teilkomponenten im Holzzustand - Vorversuche...73 II.1.5 Demonstratorentwicklung (AP 7))...77 II Demonstratorentwicklung (Wärmetauscher durch Fügung von MDF- und HDF- Platten mit Seiten- und Zwischenstegen aus MDF-Platten...81 II Ergebnisse der Carbonisierungsversuche...81 II Ergebnisse der Silizierversuche gefügter Wärmetauscher...87 II Silizierung von Demonstratoren ohne Nachverdichtung...87 II Silizierung von Demonstratoren mit einer Nachverdichtung...90 II Silizierung von Demonstratoren mit zwei Nachverdichtungen...92 II Demonstratorentwicklung (Wärmetauscher) durch Fügung bearbeiteter (gefräster) MDF-Platten...94 II.1.6 Demonstrator Verschleißkante für Pumpen II.3 Fortschritte bei Konkurrenzlösungen II.4 Veröffentlichungen II.5 Literaturverzeichnis des Ergebnisteils II.6 Abbildungsverzeichnis I/ 1

3 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 2 von 115 I Ziel, Struktur und Umfeld des Projektes I.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung der Arbeiten Das Verbundvorhaben Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau wurde gemeinsam von den Partnern Fraunhofer IKTS Dresden, dem Betriebsforschungsinstitut (BFI), VDEH-Institut für Angewandte Forschung GmbH Düsseldorf, der Firma SiCcast Mineralguss GmbH & Co. KG Witten und der Firma Schunk Kohlenstofftechnik GmbH in Giessen durchgeführt. Da es sich bei dem Vorhaben um ein Verbundforschungsprojekt handelt, wurden selbstverständlich die Entwicklungsziele des Vorhabens in Absprache mit allen Partnern gemeinsam definiert, wobei diese nachfolgend kurz dargestellt werden. Gesamtziel des Projektes ist es, nachzuweisen, dass biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau herstellbar und einsetzbar sind. Im Rahmen des Vorhabens soll gezeigt werden, dass bionisch geprägte Halbzeuge zur Fertigung keramischer Bauteile neue Perspektiven in der keramischen Produktionstechnologie eröffnen. Als bionisch geprägte Halbzeuge sollten dabei kostengünstige Holzfaserplatten eingesetzt werden, die durch Pyrolyseprozesse in Kohlenstoffe konvertiert werden sollen und anschließend über eine Reaktionssilizierung in keramische SiSiC-Bauteile umzuwandeln sind. Ein wesentliches Ziel des Gesamtvorhabens war dabei, die gesamte Prozesskette im Rahmen des Verbundvorhabens abzubilden und zu einem kostengünstigen, schlanken Fertigungsverfahren zu gelangen, mit welchem sich neuartige Produktentwicklungen für keramische Bauteile wirtschaftlich realisieren lassen. Dabei ging es besonders darum, großformatige und auch formkomplexe keramische Bauteile für technische Anwendungen herstellen zu können. Die biogenen Ausgangsmaterialien sollten dazu führen, dass die hierarchisch organisierte biologische Struktur möglichst im Rahmen der Reaktionssilizierung zur Einstellung gezielter Mikrostrukturen der SiSiC-Keramik genutzt werden kann. Charakteristische Merkmale des Gesamtvorhabens sind: - Nutzung von Naturvorlagen für technische Systementwicklungen - Erneuerbare Werkstoffressourcen - Unikale großdimensionierte und komplexe keramische Bauteile - Einsatz effizienter Formgebungstechnologien aus der holzverarbeitenden Industrie - Neue industrielle Herstelltechnologie für Keramikelemente - Keramisches Hightech-Werkstoffpotenzial aus biologisch optimierten Strukturen - Anwendungsbeispiel großdimensionierter Verschleißelemente im Pumpenbau I/ 2

4 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 3 von Anwendungsbeispiel keramischer Wärmetauscher - Eignungsperspektiven für weit verzweigte Anwendungsfelder wie Chemieanlagen, Energietechnik, Optik, ballistischer und thermischer Schutz, Bremssysteme Um all diese gewünschten charakteristischen Merkmale des Vorhabens abzudecken, sollten systematische Parameterstudien entlang der gesamten Prozesskette von der Pyrolyse der biogenen Holzfaserplatten bis zur Herstellung der Demonstratorbauteile durchgeführt werden. Um den Nachweis der Herstellbarkeit biomimetisch geprägter Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau zu führen, wurden zwei Demonstratorbauteile ausgewählt. Bei dem Demonstratorteil 1 handelt es sich um einen komplexen, keramischen Wärmetauscher, während das Demonstratorteil 2 ein großdimensionierter keramischer Verschleißschutz im Pumpenbau war. Beide Systeme wurden deshalb ausgewählt, da sie typische Beispiele eines vorteilhaften Einsatzes keramischer Werkstoffe im Anlagenbau darstellen und bisher über herkömmliche Techniken aus wirtschaftlichen und Fertigungsgründen nicht verfügbar sind. Die beiden geplanten Demonstratoren sollen die Kenntnis über die breite stoffliche Variabilität und die technische Einsetzbarkeit biogener Keramikwerkstoffe und daraus hergestellter großformatiger Erzeugnisse besonders für die Bereich Maschinen- und Anlagenbau, sowie Energietechnik zeigen und zur Einführung neuer Fertigungstechnologien für diese Einsatzgebiete führen. Die Hauptaufgabe seitens SKT in dem Gesamtprojekt bestand darin, Parameter für eine industrielle Umsetzung der Fertigungstechnologien zu erarbeiten, welche im Technikumsmaßstab seitens des Projektpartners IKTS Dresden entwickelt wurden. I.2 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Das Entwicklungsvorhaben, biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau, wurde als Verbundvorhaben der oben genannten Partner durchgeführt. Die Koordination des Gesamtvorhabens lag bei der Firma Schunk Kohlenstofftechnik GmbH (SKT), da die Nutzung und Verwertung der Ergebnisse aus der Entwicklung letztendlich fertigungstechnologisch nach erfolgreicher Entwicklung auch von SKT umgesetzt werden sollte. Die beiden Projektpartner SKT und FhG-IKTS verfügten bereits vor Projektbeginn über entsprechende Erfahrungen, aus biogenen Werkstoffen SiSiC- Keramikmaterialien herzustellen. Diese gemeinsamen Erfahrungen basierten darauf, dass bereits in einem Förderprojekt beim BMVEL, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Gülzow SiSiC-Lagerwerkstoffe aus Flachsfasern entwickelt wurden. Dieses gemeinsame I/ 3

5 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 4 von 115 Entwicklungsprojekt der beiden Partner hat gezeigt, welches Potenzial nachwachsende Rohstoffe für die Herstellung keramischer Werkstoffe besitzen, wobei jedoch die Herstelltechnik über die Pflanzenfaser mit sehr großen Carbonisierungsvolumina verbunden war, welche letztendlich eine kommerzielle Nutzung dieser Verfahrensroute aus Kostengründen ausschließen. Deshalb haben sich auch beide Projektpartner in einem Instituts-Verbundprojekt zur Herstellung biomorpher Keramik beteiligt, wobei SKT dieses BMBF-Institutsprojekt sowohl finanziell als auch beratend unterstützte. Bei diesem Vorgängerprojekt hat sich gezeigt, dass es wesentlich günstiger ist, industriell verfügbare Halbzeuge auf pflanzlicher Basis für die Herstellung von keramischen Werkstoffen zu nutzen, da diese wesentlich homogener und gleichzeitig auch wesentlich kompakter sind, so dass das oben erwähnte Problem der großen Carbonisierungsvolumina auf jeden Fall ausgeschlossen werden kann und derartige Halbzeuge eventuell bereits endkonturnah eingesetzt werden könnten. Da im Rahmen des Entwicklungsprojektes die gesamte Herstellkette komplett bis zum fertigen Demonstratorteil abgedeckt werden sollte, war es notwendig, geeignete und kompetente Projektpartner sowohl für den Bereich der Ausgangsmaterialien, als auch für anwendungsnahe Testungen und Simulationen für die Demonstratorbauteile zu finden. Eine wesentliche Voraussetzung des Projektes war es deshalb, einerseits einen Holzfaserplattenhersteller für das Projekt zu gewinnen. Die Firma Varioboard aus Magdeburg und die Firma Kunz aus Baruth erklärten sich bereit, unterschiedliche Holzfaserplatten für das Entwicklungsprojekt zur Verfügung zu stellen und damit das Projekt seitens der Rohstoffanlieferung mit zu unterstützen, so dass im Rahmen des Gesamtprojektes auch der Einfluss unterschiedlicher Ausgangsmaterialien für die Keramikwerkstoff- und Bauteilherstellung mit einbezogen werden konnte. Dies war eine wesentliche Voraussetzung für eine breit angelegte Studie der Machbarkeit biogener Keramiken auf der Basis von Holzfaserplatten als Ausgangsmaterial. Der Projektpartner BFI war im Rahmen des Projektes dafür zuständig, Keramikplattenwärmetauscher als Demonstratorbauteil auszulegen und die Leistungsfähigkeit dieser Keramikplattenwärmetauscher zu berechnen und in einer hauseigenen Versuchsanlage die Berechnungen über Tests zu evaluieren. Das Betriebsforschungsinstitut (BFI) ist eines der europaweit führenden Institute für anwendungsnahe Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Anlagentechnik für energiesparende Beheizung von Wärmebehandlungsöfen und den Einsatz alternativer Energieträger in industriellen Anlangen. Da das BFI in unterschiedlichen Forschungsvorhaben über Regenerator-Brennersysteme zur besseren Energieausnutzung für Hochtemperaturprozessanlagen eingebunden war, war dies ein idealer Partner, um die I/ 4

6 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 5 von 115 zukünftigen Einsatzpotenziale des Demonstratorbauteils Wärmetauscher zu untersuchen und zu simulieren. Um eine möglichst breite Anwendungspalette für diese neuen biogenen Keramikbauteile zu ermöglichen, wurde als weiteres Demonstratorbauteil eine Verschleißkante eines Pumpenlaufrades gewählt und ein entsprechender Partner, der derartige Pumpen für hochabrasive und hochkorrosive Anwendungen einsetzt gewonnen. Die Firma SiCcast ist ein Hersteller von polymergebundenen SiC-Laufrädern für Kraftwerk-Kühlwasserpumpen, welche derartig extremen Anwendungsbedingungen ausgesetzt sind, so dass SiCcast ein idealer Partner für die Entwicklung und letztendlich auch die anwendungsnahe Testung eines derartigen Demonstratorbauteils war. Da im Rahmen der gesamten Prozesskette alle Einzelschritte abgedeckt werden sollten, war eine weitere Voraussetzung, sich bereits sehr frühzeitig auch mit eventuell auftretenden Fügeproblemen auseinander zu setzen. Fügungen sind immer dann notwendig, wenn geometrisch komplexere Bauteile, wie z. B. auch Laufräder oder auch die angedachten Wärmetauscher-Demonstratormodule zu fertigen sind. Derartige Fügungen können einerseits im Rahmen der Prozesskette an carbonisierten Bauteilen erfolgen, aber auch eventuell bereits an den biogenen Ausgangsmaterialien, den Holzfaserplatten. Deshalb wurde ein Unterauftrag für ein Klebstoffscreening an die TU Dresden, das Institut für Holz- und Papiertechnik, vergeben, welches über eine entsprechende Expertise auf diesem Sektor verfügt. Dies war eine wesentliche Voraussetzung, um alle Optionen bei der späteren Fertigung der Demonstratorbauteile auch nutzen zu können. Da aus Voruntersuchungen bekannt war, dass nachwachsende Rohstoffe bei Carbonisierungsprozessen in etwa eine Kohlenstoffausbeute von ca. 22 % haben, was teilweise zu sehr starken Volumenveränderungen der Ausgangsmaterialien bis zu 50 % führt, wurde zu Projektbeginn auch angedacht, holzfaserbasierte Platten mit entsprechenden Kohlenstoffmodifizierungen in die Untersuchungsreihen mit einzubeziehen. Als potentielle Partner für diese Aufgaben stand das DLR Stuttgart zur Verfügung, welches sich in dem bereits vorher genannten Institutsverbundsprojekt, BioKer, mit derartig modifizierten Holzfaserplatten beschäftigt hatte. Da die Firma Schunk Kohlenstofftechnik über die gesamte Prozesskette zur Herstellung keramischer Bauteile aus Holzfaserplattenausgangsmaterialien verfügt, war letztendlich auch gewährleistet, dass bei einer erfolgreichen Umsetzung des angedachten Entwicklungsvorhabens eine direkte kommerzielle Verwertung der Entwicklungsergebnisse im Nachgang zu diesem Projekt möglich sein wird. Auch dies war eine wesentliche I/ 5

7 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 6 von 115 Voraussetzung, um das geplante Vorhaben überhaupt durchzuführen. Eine weitere Voraussetzung für die Durchführung des Projektes stellt selbstverständlich auch die Siliziertechnik dar, welche möglichst kostengünstig sein sollte und bezüglich der maximal herstellbaren Größen möglichst flexibel sein sollte. Diese Voraussetzung für das Projekt wurde dadurch erfüllt, dass die Schwesterfirma der, die Schunk Ingenieurkeramik in Willich in die Silizierverfahren mit einbezogen werden konnte, da es sich dabei um einen industriellen Hersteller von SiSiC-Keramiken auf der Basis der herkömmlichen Schlickertechnologien und Sinterverfahren handelt. Dadurch war auf jeden Fall auch gewährleistet, dass die heute zur Verfügung stehenden kostengünstigen Siliziertechniken mit in die Entwicklungsaktivitäten einbezogen werden könnten. Die Verbundpartner verfügten deshalb über alle fertigungstechnischen Möglichkeiten, um ein derartiges Projekt durchzuführen, was selbstverständlich die wichtigste Voraussetzung überhaupt darstellt. Im Rahmen des Verbundvorhabens sollte der Entwicklungspartner FhG-IKTS mittels Parameterstudien die Grundlagen für die Füge- und vor allem für die Siliziertechniken erarbeiten, während SKT die Aufgabe hatte, diese Entwicklungsergebnisse dann unter industriellen Bedingungen in industriellen Anlagen umzusetzen. Das Gesamtprojekt war so aufgebaut, dass über iterative Entwicklungsschleifen bei den Partnern die Verfahrensentwicklung systematisch vorangetrieben wurde und SKT diese dann in die entsprechenden Arbeitspläne für ihre Herstelltechnologie mit aufgenommen hat. Die Arbeitspläne des FhG-IKTS und von SKT waren sehr eng verzahnt, so dass immer realistische Herstellbedingungen gewählt werden konnten, welche industriell letztendlich auch umsetzbar waren. Beide Partner haben für die Entwicklung des Wärmetauscherdemonstrators unterschiedliche Designs entwickelt, so dass unnötige Doppelarbeiten vermieden wurden und möglichst viele Designvarianten im Rahmen der Entwicklungsstudie getestet und gegeneinander evaluiert werden konnten. Eine derartige offene Arbeitsweise war auch deshalb möglich, weil beide Partner schon seit vielen Jahren sehr eng und vertrauensvoll in unterschiedlichsten Entwicklungsarbeiten zusammengearbeitet haben. Auch dies war eine wesentliche Voraussetzung für das gesamt Verbundvorhaben. I/ 6

8 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 7 von 115 I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens Das Vorhaben beinhaltete einerseits reine Werkstoffentwicklung und deren Optimierung als auch die Herstellung komplexerer Demonstratorteile und deren Testung und Evaluierung. Deshalb war das Verbundforschungsvorhaben in 11 Arbeitspakete untergliedert, welche von unterschiedlichen Partnern gemäß ihrer Kompetenzen gemeinsam bearbeitet wurden. Die verschiedenen Arbeitspakete sind nachfolgend aufgeführt Arbeitspaket Aufgabe Aufgabe Inhalt Nr. Inhalt Halbzeugbereitstellung 1.1 Anmusterung kommerzieller biogener Holzfaserplatten Faserverbundplatten 1.2 Modifizierung kommerzieller Holzfaserplatten 1.3 Herstellung Carbon-dotierter techn. Holzwerkstoffe 1.4 Dichteeinstellung durch Harztränkung 1.5 Herstellung Carbonfilzvorlagen als Referenzwerkstoff Carbonisierung 2.1 Biogene Platten-Halbzeuge biogener Strukturen 2.2 Verbund-Bauteile 2.3 Techn. Maßnahmen zur Verzugsminimierung Silicierung 3.1 Bauteilspezifische biogener Strukturen Voraussetzungen 3.2 Verbundelemente mit Dichtegradienten 3.3 Formkomplexe Bauteile Fügetechniken 4.1 Holzzustand 4.2 Carbonisat-Zustand 4.3 Fügesilicierung von Bauteilkomponenten 4.4 Fügeverbund mit Mineralguss Werkstoff- und 5.1 Rohformfertigung im Bauteilbearbeitung Holzzustand 5.2 Komplexe Carbon-Bauteile 5.3 Finishbearbeitung Gefüge- und 6.1 Gefügeanalyse im Holz-, Eigenschaftsanalyse Carbon- und SiC-Zustand 6.2 Fügeverbindungen 6.3 Mechanische Eigenschaften 6.4 Thermische Eigenschaften Demonstrator 7.1 Anforderungen an Werkstoff Wärmetauscher und Verbundsystem I/ 7

9 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 8 von Gestaltungskonzept 7.3 Design Demonstrator-Muster 7.4 Musterkomponenten 7.5 System-Komplettierung 7.6 Systemtest 7.7 Industrielles Design 7.8 Perspektivische Einsatzerweiterung Demonstrator 8.1 Anforderungen an Werkstoff Pumpen-Verschleißelemente und Verbundsystem 8.2 Gestaltungskonzept 8.3 Design Demonstrator-Muster 8.4 Musterkomponenten 8.5 System-Komplettierung 8.6 Systemtest 8.7 Industrielles Design 8.8 Perspektivische Einsatzerweiterung Industrielle 9.1 Einsatz biogener Fertigungskonzepte Systemmodule 9.2 Technologische Kette 9.3 Systemfertigung 9.4 Kooperationsketten 9.5 Qualitätssicherung 9.6 Verfahrensökonomie Verwertungskonzepte 10.1 Anwendungsfelder 10.2 Marktpotenzial 10.3 Nutzungshorizonte Management 11.1 Koordinierung Projekt 11.2 Kooperationsverträge und Schutzrecht 11.3 Projekttreffen 11.4 Berichte 11.5 Öffentlichkeitsarbeit I/ 8

10 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 9 von 115 Die Arbeitspakete 1 und 2 wurden nahezu ausschließlich von den Partnern FhG-IKTS und SKT bearbeitet. SKT war dabei für die Modifizierung kommerziell erhältlicher Holzfaserplatten, für Untersuchungen carbondotierter Holzwerkstoffe und für die Herstellung von Referenzmaterialien auf Filzbasis verantwortlich. Die Carbonisierung (AP2) biogener Strukturen sollte bei SKT unter industriellen Bedingungen in industriellen Fertigungsanlagen durchgeführt und basierend auf den Parameterstudien der FhG-IKTS (im Labormaßstab) verbessert und möglichst an diese Parameter adaptiert werden. Das Arbeitspakete 3, Silizierung biogener Strukturen, beinhaltete neben den Parameterstudien der FhG-IKTS und deren Übertragung auf SKT-Anlagen auch externe Silizierung von SKT bei der Schwestergesellschaft SIK, da deren Silziertechnik nochmals unterschiedlich zu den möglichen Parametermodifikationen bei SKT ist. Damit wurde ein möglichst breites Spektrum an Siliziertechniken für die biogenen Strukturen erschlossen. Die Erarbeitung geeigneter Fügetechniken erforderte einerseits den Input der Partner, die für die Demonstratortestung zuständig waren, BFI und SiCcast, und andererseits auch eine Klebestudie der TU-Dresden, um die Option einer Fügung bereits im Holzzustand offen zu halten. Die komplexen Demonstratorteile sind nur mittels Fügetechnik herstellbar, wobei die Verschleißkante des Pumpenlaufrades sogar die Erarbeitung von Fügetechniken in das vorhandene SiC-Polymersystem erforderlich machte, was durch den Projektpartner SiCcast erfolgte. Die Firma SKT und der Projektpartner FhG-IKTS benutzten unterschiedliche Fügetechniken in den Vorversuchen, um eine möglichst optimale Lösung für die Fügung carbonisierter Bauteile und auch der Holzfaserplattenteile zu finden. Die Qualität der Fügungen und die aus der Silizierung resultierenden Gefüge wurden im Rahmen des AP6 bei SKT und der FhG-IKTS untersucht. Die Werkstoff- und Bauteilbearbeitung (AP5) wurde sowohl an Holzfaserplatten als auch an den biogenen Carbonstrukturen durchgeführt. Erste Parameterstudien erfolgten beim IKTS. Dabei hat sich gezeigt, dass für schleifende Bearbeitung der carbonisierten Holzfaserplatten möglichst eine Gefrierspannung benutzt werden sollte, um die mechanisch hochempfindlichen biogenen Carbonteile nicht bereits beim Einspannen zu beschädigen. SKT hat diese Anregungen vom IKTS übernommen und eine Gefrierspannung konzipiert und bestellt, die für industrielle Bearbeitungskriterien geeignet sein sollte. Trotz mehrfacher Nachbesserung des Lieferanten ist es diesem letztendlich nicht gelungen, das Anforderungsprofil bestellungsgemäß zu erfüllen. Selbst im Rahmen der kostenneutralen Verlängerung war dies nicht möglich, wobei SKT jedoch weitere Versuche mit dieser Vorrichtung bis Mitte 2012

11 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 10 von 115 fahren wird, um das Potenzial dieser Spannvorrichtung für die Bearbeitung biogener Carbonate abzuschätzen. Eine Kostenabschätzung ist derzeit jedoch bei diesem Verfahren nicht möglich, da die unzureichende Kühlleistung zu derart langen Maschinenbelegungszeiten führt, welche für industrielle Zwecke unakzeptabel sind. Deshalb wird die Gefrierspannvorrichtung auch Mitte 2012 wieder an den Lieferanten zurückgegeben. Die Bearbeitungsproblematik hatte auch einen starken Einfluss auf die Fertigung der Demonstratorbauteile und deren Testung (AP7 und AP8). Dies führte letztendlich zu deutlichen Verzögerungen des Gesamtprojektes und damit auch zur kostenneutralen Verlängerung, welche dank der Fürsprache der Projektträgerschaft vom BMBF genehmigt wurde. Die Demonstratortests waren bezüglich der Wärmetauschermodule erfolgreich, während die SiSiC-Verschleißkanten im Pumpenlaufrad kurz vor Testende, nach ca. einem halben Jahr Laufzeit, gebrochen sind. Die Schadensursache war nicht eindeutig zu klären, da in einem Testlauf drei verschiedene SiSiC-Varianten gefahren wurden und der Schädigungsablauf nicht mehr nachvollziehbar war. Der Projektpartner SiCcast hat in seinem Abschlussbericht [1] verschiedene Schadenshypothesen dargestellt. Weitere Anwendungsversuche in diese Richtung sind auszuschließen, da es sich bei dem Systemtest um eine Pumpe der Rauchgasentschwefelung im Kraftwerksbereich handelt und pumpenbedingte Stillstandszeiten im Kraftwerk aus Kostengründen nicht akzeptabel sind. Unabhängig von den erwähnten Bearbeitungsproblemen sind industrielle Fertigungen biogener SiSiC-Keramik-Bauteile (AP9) möglich, bedürfen jedoch weiterer Entwicklungsaktivitäten, da z. B. die getesteten Wärmetauschermodule für industrielle Anwendungen noch zu klein und damit zu leistungsschwach sind. Eine erste Verwertung dieser Ergebnisse (A10) erfolgt in einem Anschlussprojekt zur Entwicklung großvolumiger Wärmetauschermodule (Rekuker, [2]. Die zu Projektbeginn gesetzten Ziele konnten mit Ausnahme der Bearbeitungsproblematik im Rahmen der Gesamtlaufzeit gelöst werden. Dies gelang vor allem durch eine enge, offene und vertrauensvolle Kooperation aller Partner und die konstruktive Unterstützung seitens der Projektträgerschaft. I.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand vor Projektbeginn Der wissenschaftliche und technische Stand zur Entwicklung und Herstellung keramischer Werkstoffe aus biologischen Strukturen wurde detailliert im Projektantrag von Projektpartner FhG-IKTS beschrieben. Der Institutspartner war auch verantwortlich für Patentrecherchen und I/ 10

12 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 11 von 115 Literaturüberwachung, so dass nachfolgend im Wesentlichen Bezug auf den Abschlussbericht des Projektpartners FhG-IKTS genommen wird. [3] Wie bereits erwähnt, lagen bei den beiden Projektpartnern FhG-IKTS und SKT sehr früh Erfahrungen zur Herstellung keramischer Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen vor. Bereits 1994 wurde ein Antrag zur Entwicklung von Lager- und Friktionsstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen bei der Projektträgerschaft Nachwachsende Rohstoffe in Gülzow eingereicht, welcher ab 1998 gefördert wurde. Im Abschlussbericht [4] dieses Vorhabens, bei dem SiSiC-Friktionswerkstoffe aus Flachsfasern hergestellt wurden, wurde gezeigt, dass eine industrielle Verwertung dieser Erkenntnisse nur möglich ist, wenn andere biogene Halbzeuge, wie z. B. Holzfaserplatten, zur Herstellung biogener Keramikwerkstoffe eingesetzt werden. Die Fertigungsroute über Flachsfasern führte zu extrem hohen Volumina bei der Carbonisierung der Naturfasern, was letztendlich kostenseitig ein k. o. -Kriterium darstellte [4]. Erste Arbeiten zur Synthese keramischer Werkstoffe waren bereits seit 1992 bekannt [5-7]. Die ersten keramischen Materialien aus Holz bzw. Holzwerkstoffen sind in amerikanischen und japanischen Publikationen als sogenannte wood ceramics beschrieben [8-10]. Nonaka et al. [11] stellt aus mitteldichten Holzfaserplatten (MDF) Kohlenstoffmaterialien her mit einer Dichte von 0,95 g/cm³ und Biegebruchfestigkeiten bis zu 30 MPa. Bei Verwendung von Flachsfasern als Kohlenstoffquelle waren sogar deutlich höhere C- Dichten erreichbar mit Festigkeitswerten bis zu 70 MPa bei den daraus hergestellten Kohlenstoffwerkstoffen. Dies war die Voraussetzung für das Entwicklungsprojekte Lager- und Friktionswerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen [4]. Die Ergebnisse aus diesen Aktivitäten wurden von den Projektpartnern FhG-IKTS und SKT auf unterschiedlichen Tagungen und in Fachzeitschriften publiziert [12-18]. Erste deutsche Forschungsarbeiten zum Erhalt der hierarchischen zellularen Holzstrukturen in biogenen SiSiC-Keramiken wurden von der Arbeitsgruppe von Prof. Greil in Erlangen durchgeführt [19-20]. Er konnte an unterschiedlichsten natürlichen Hölzern und Pflanzen nachweisen, dass einerseits die zellulare Holz- und Pflanzenstruktur durch geeignete Silizierverfahren erhalten werden konnte, um z. B. Leichtbaustrukturen wie Filter oder Katalysatorträger herzustellen, wobei man allerdings die Nachteile natürlich vorkommender Hölzer und Pflanzen in Kauf nehmen musste. Unterschiedliche Vegetationsperioden führen zu unterschiedlichen Zellstrukturen der Pflanzen und Hölzer. Zu vergleichbaren Ergebnissen kamen auch unterschiedlichste internationale Arbeitsgruppen, welche pflanzliche Halbzeuge zur Herstellung sogenannter ecoceramics, d. h. SiSiC- Keramiken für nichtindustrielle Anwendungen nutzen wollten [21-27]. I/ 11

13 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 12 von 115 Das außerordentliche Potenzial nachwachsender Rohstoffe zur Herstellung von SiSiC- Keramiken einzusetzen, führte 2001 zu einer Ausschreibung des BMBF-zur Entwicklung Biomimetischer Werkstoffe. SKT partizipierte an dieser Ausschreibung im Rahmen mehrerer Projekte. Das BMBF- Vorhaben Entwicklung biomorpher Keramiken für die Abgasnachbehandlung [28] (CellSiC) beinhaltete die Entwicklung eines SiSiC-Katalysatorträgers für Automobilanwendungen. SKT war im Rahmen dieses Projektes dafür verantwortlich, die prinzipielle Machbarkeit eines derartigen Katalysatorträgers nachzuweisen, wobei als Halbzeug eine Wicklung aus Wellpapier eingesetzt wurde. Diese Erfahrungen mit biogenen Keramikbauteilen wurden dann in einem Nachfolgeprojekt Katalysator für die Abgasnachbehandlung mit reduziertem Edelmetallgehalt - KREM [29] genutzt, um einen funktionsfähigen Katalysatorträger für Automobilanwendungen auf der Basis einer Papierpreform zu entwickeln. Wie bereits erwähnt, war SKT an mehreren Projekten im Rahmen biogener SiC- Entwicklungen beteiligt. Das BMBF-Projekt Biomorphe Keramik - BioKer wurde als Institutsverbundvorhaben vom BMBF gefördert [30]. Es beinhaltete die Entwicklung biogener SiSiC-Keramiken auf der Basis verschiedener Holzausgangswerkstoffe und stellte die Grundlage des beantragten BioCerAb-Forschungsvorhabens dar. Industrielle Umsetzungen biogener SiSiC-Keramiken sind nur realisierbar, wenn diese Technologie Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Sintertechniken bietet, da die Silizierung biogener Materialien wesentlich mehr Silizium erfordert und daher verfahrens- und fertigungstechnisch schwieriger und riskanter ist. Die Vorteile liegen deshalb einerseits in der kosteneffektiven endkonturnahen Halbzeugherstellung, den kostengünstig verfügbaren Ausgangsmaterialien und der Nutzung der biologischen Vorleistung für den Silizierprozess und das resultierende SiSiC-Gefüge. Daher wurden als Ausgangsmaterialien Holzfaserplatten gewählt, die in großen Mengen kostengünstig und reproduzierbar erhältlich sind. Als Demonstratoren wurden Modellteile ausgewählt, die für diese Halbzeuge besonders geeignet erschienen. Hochtemperaturwärmetauschermodule auf SiSiC-Basis sind dabei den heute verfügbaren metallischen Wärmetauschern deutlich bzgl. des Wirkungsgrades überlegen [31, 32]. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Wärmetauschersystemen zu rekuperativen Wärmerückgewinnung im Temperaturbereich größer 1000 C. Derartige Hochtemperatur- Rekuperatoren mit hoher thermischer Leistung existierten zu Projektbeginn nicht. Ähnliches gilt für Pumpenlaufräder mit extrem hoher abrasiver und kavitativer Beanspruchung. Vollkeramische Pumpenlaufräder für derartige Anwendungen werden nicht hergestellt. I/ 12

14 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 13 von 115 Normalerweise werden metallische Laufräder eingesetzt, die bei entsprechendem Verschleiß ersetzt werden. Die Firma SiCcast benutzt in ihren Pumpen polymergebundene SiC-Laufräder, deren Verschleiß durch Polymerbindung bedingt ist. Deshalb wurde als weiteres Demonstratorteil eine Verschleißkante ausgewählt, die als SiSiC-Keramik aus Holzfaserplatten hergestellt wird. Die rein keramische Variante sollte das polymerbedingte Verschleißverhalten deutlich verbessern. I.4.1 Literatur zum wissenschaftlichen und technischen Stand [1] F. Schieber: Plattenförmiger Kohlenstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung; DE C2, (1982) [2] R. Freundorfer: Keramischer Werkstoff; DE , (2000) [3] Schunk Kohlenstofftechnik / Fraunhofer-Gesellschaft: Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils; DE , (2001) [4] R. Freundorfer: Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffes; DE A1, (2002) [5] W. Krenkel, S. Seiz, N. Hall, B. Heidenreich: Bauteil aus SiC-Keramik und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus SiC-Keramik; DE B4, (1999) [6] B. Heidenreich, J. Schmidt, R. Schulte: Verfahren und Vorrichtung zur Carbidbildner-Infiltration eines porösen kohlenstoffartigen Vorkörpers DE (2005) [7] B. Heidenreich, J. Schmidt, M. Scheiffele: Verfahren zur Herstellung von Carbidkeramik-Bauteilen, Vorkörperverbund zur Herstellung von Carbidkeramik-Bauteilen und Carbidkeramik- Bauteilverbund DE (2006) [8] T. Okabe, K.Saito: New Porous Carbon Materials, Woodceramics J. Porous Mat. 2 (1996), 207 [9] H. Iizuka, M. Fushitani, T. Okabe, K. Saito: Mechanical Properties of Woodceramics, J. Porous Mat. 6 (1999), 175 [10] K. Hokkirigawa, T. Okabe, K. Saito: Wear Properties of New Carbon Materials, J. Porous Mat. 2 (1996), 235. I/ 13

15 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 14 von 115 [11] K. Nonaka, M. Fushitani, T. Hrose: Effect of Density and Phenolic Resin Loading on the Bending Strength Performance of Woodceramics Trans. Mat. Res. Soc. Jap. 24, (1999), 319 [12] S. Kleber, W. Hermel, Chr. Schubert: Keramische Werkstoffe mit biogenen Strukturen, Proc. Werkstoffwoche 1998, Symposium 9b, 227ff, München, (1998) [13] S. Siegel, S. Kleber: Carbon and Ceramic Materials Based on Natural Flax Fibres, Proc. 1 st, World Conf. Biomass, Sevilla 06/2000, James & James Sci. Publ. S. 1097f, (2001) [14] S. Siegel, S. Kleber, R. Weiß: Biogenic Carbon Composites, Proc. Eurocarbon 2000, Berlin, Symposium 1-A, 37 [15] S. Siegel, U. Petasch, G. Boden: Ceramic Composites Based on Natural Fibres, Proc. Materials Week 2000, Symposium M2, München, (2002) [16] S. Siegel, U. Petasch: Keramische Verbundwerkstoffe auf Naturfaserbasis; Proc. DGM Tagung Verbundwerkstoffe & Werkstoffverbunde, S. 285ff, Chemnitz, (2001) [17] U. Petasch, G. Boden, Ch. Sand, S. Siegel: Carbon Mouldings Based on Natural Fibres; Proc. Materials Week, München, (2001) [18] S. Siegel, U. Petasch, R. Weiss: Biomorphous Ceramic Composites, Proc. Int. Conf. on Composites Engineering ICCE/9, S. 725ff, San Diego, (2002) [19] P. Greil: Biomorphous Ceramics from Lignocellulosics J. ECerS 21 (2001), 105 [20] H. Sieber, C. Hoffmann, A. Kaindl, P. Greil: Biomorphic Cellular Ceramics [21] C.E. Byrne, D. E. Nagle: Cellulose Derived Composites Mat. Res. Innovat. 1, S. 137ff, (1997) [22] C.E. Byrne, D.E. Nagle: Carbonization of Wood for Advanced Materials Applications Carbon 35, S. 259ff, (1997) [23] M. Singh: Environment Conscious Ceramics (Ecoceramics) Proc. 24th Ann. Conf. on Composites, Advanced Ceramics, J. ACerS, S. 39, (2000) [24] M. Singh, J.A.Salem: Mechanical Properties and Microstructure of Biomorphic Silicon Carbide Ceramics Fabricated from Wood Precursors J. EcerS 22, S. 2709ff, (2002) [25] Q. Guanjun et al: Mechanical Properties and Microstructure of Si-SiC Materials Derived from Native Wood; Mat. Sci. Eng. A 323, S. 301ff, (2002) I/ 14

16 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 15 von 115 [26] J. Martinez-Fernandez et al: Creep Resistant Biomorphic Siliconcarbide Based Ceramics; Cer. Eng. Sci. Proc. 22 (4), J. ACerS, S. 135ff, (2001) [27] A. Munoz, J. Martinez Fernandez, M. Singh: High Temperature Compressive Mechanical Behavior of Joined Biomorphic Silicon Carbide Ceramics J. EcerS 22, S. 2727ff, (2002) [28] Abschlussbericht: Entwicklung biomorpher Keramiken für die Abgasnachbehandlung, 2005, FKZ 03N 8018B [29] Abschlussbericht Katalysator für die Abgasnachbehandlung mit reduziertem Edelmetallgehalt - KREM, 2010, FKZ - 03X3506A [30] Autorenteam Biomorphe Keramik, Schlussbericht zum BMBF-Verbundprojekt, FKZ 03N8024, PTJ-NMT, Mai 2007 [31] B. Heidenreich, J. Schmidt, M. Scheiffele: Verfahren zur Herstellung von Carbidkeramik-Bauteilen, Vorkörperverbund zur Herstellung von Carbidkeramik-Bauteilen und Carbidkeramik-Bauteilverbund; DE , (2006) [32] Adler, W., Bender, W., Sucker, D., Wahlbrink, J., Liere-Netheler, W., Neues Beheizungssystem mit Rohrregenerator und Flachflammenbrenner, 22. Deutscher Flammentag, Braunschweig, VDI-Berichte 1888, S. 513ff, (2005) I.4.2 Stand der Patentliteratur zu Beginn des Projektes Der Projektpartner FhG-IKTS erstellte zu Beginn des Projektes eine Patentrecherche. Die Herstellung der sogenannten woodceramics bzw. ecoceramics aus nachwachsenden, pflanzlichen Rohstoffen wurde sowohl in Japan als auch in Deutschland und den USA patentiert. Dabei handelte es sich um definiert porenhaltige, zellulare SiC-Strukturen, die im Rahmen des geplanten Vorhabens nicht angedacht waren. Erste Patente über plattenförmige Kohlenstoff- und SiC-Materialien sind in folgenden Patenten beschrieben [1-4]. Das Patent DE C2 (19829 [1] von F. Schicker beschreibt die Herstellung von plattenförmigen Kohlenstoffen aus Papierdämmplatten. Erste Patentschriften zur Herstellung plattenförmiger SiC-Bauteile wurden von Freundorfer [2] und SKT zusammen mit dem Projektpartner FhG-IKTS publiziert [3]. I/ 15

17 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 16 von 115 Um die C-Ausbeute der Holzfaserplatten zu verbessern, erarbeitete SKT in Kooperation mit Freundorfer die Herstellung C-dotierter Holzfaserplatten [4], welche auch Bestandteil der Optimierungsmöglichkeiten der Ausgangsplatten im Rahmen des Projektes sein sollen. Ähnliche Modifikation zur Anreicherung von Kohlenstoff in den Ausgangsmaterialien wurden von Mitarbeitern der DLR Stuttgart patentiert [6, 7]. Dabei handelt es sich um modifizierte Ruß- / Holzmehlpulvermischungen, welche im Rahmen des Projektes für Vergleichsuntersuchungen bei SKT herangezogen wurden. Erste Versuche, durch Zugabe von Holzspänen zur Verbesserung der Kapillarinfiltration wurden bereits 1999 von Krenkel et al. patentiert [5]. Dabei handelt es sich aber um eine reine Laborfertigung, die für die gewünschte, kosteneffektive Herstellung biogener SiSiC-Keramiken nicht geeignet ist. I.4.3 Patentliteratur zu Projektbeginn [1] F. Schieber: Plattenförmiger Kohlenstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung; DE C2, (1982) [2] R. Freundorfer: Keramischer Werkstoff; DE , (2000) [3] Schunk Kohlenstofftechnik / Fraunhofer-Gesellschaft: Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils; DE , (2001) [4] R. Freundorfer: Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstoffes; DE A1, (2002) [5] W. Krenkel, S. Seiz, N. Hall, B. Heidenreich: Bauteil aus SiC-Keramik und Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus SiC-Keramik; DE B4, (1999) [6] B. Heidenreich, J. Schmidt, R. Schulte: Verfahren und Vorrichtung zur Carbidbildner-Infiltration eines porösen kohlenstoffartigen Vorkörpers DE (2005) [7] B. Heidenreich, J. Schmidt, M. Scheiffele: Verfahren zur Herstellung von Carbidkeramik-Bauteilen, Vorkörperverbund zur Herstellung von Carbidkeramik-Bauteilen und Carbidkeramik- Bauteilverbund DE (2006) I/ 16

18 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 17 von 115 I.4.4 Veröffentlichungen zu biogener Keramik im Projektzeitraum Wie erwähnt, erfolgte die Patent- und Literaturüberwachung im Verlaufe des Projektes durch Patent- und Datenbankrecherchen des Partners FhG-IKTS. Die relevanten Veröffentlichungen sind daher dem Abschlussbericht des Projektpartners entnommen. I Veröffentlichungen im Projektzeitraum /1/ W. H. Zhou, et al.: Basic Properties of Woodceramics Made from Furane Resin/Wood Powder Composite, in Advanced Materials Research, Vol , S , (2011) /2/ Y. Qing, et al.: Study on Moulding Process of Woodceramics Without Formaldehyde Emission, in IEEE (2009) /3/ D. Zhang, et al.: Bio-Inspired Functional Materials Templated From Nature Materials, in KONA, Powder and Particle Journal, Nr 28, S , (2010) /4/ G. Hou, et al.: Effect of Phenolic Resin on the Basic Properties of Woodceramics and Biomorphic SiC Ceamics, in Engineering Materials, Nr , S , (2007) /5/ X.-C Yu, et al.: Basic properties of woodceramics made from bamboo powder and epoxy resin, in Wood Science and Technology, S. 1 6, (2010) /6/ Z. Du, C.B. Sun: Preparation of a New Porurous Material: Enzymatic Hydrolysis Lignin Woodceramics in Advanced Materials Research, Nr , S , (2010) /7/ W. Wentao, et al.: Preparation of woodceramics from wheat straw, in IEEE (2010) /8/ Z.-K. Huang, et al.: Microstructure of Woodceramics Modified By Enzymatic Hydrolysis Lignin, in Advanced Materials Research, Nr , S , (2011) /9/ T.-X. Fan, et al.: Biomorphic mineralization: From biology to materials, in Progress in Materials Science, Nr. 54 I. 5, S , (2009) I.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen und Kooperationen Wie bereits in der Einleitung erwähnt, war neben der Kooperation mit dem im Bericht genannten Projektpartnern auch die Zuarbeit weiterer Stellen für die erfolgreiche Umsetzung des Projektes notwendig. Für die Anlieferung der Holzfaserplatten und auch teilweise deren I/ 17

19 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 18 von 115 Vorbearbeitung erfolgte eine projektbegleitende Mitarbeit der Faserplattenhersteller Varioboard Holzwerkstoffe Magdeburg und Kunz Faserplattenwerk Baruth. Die Einbeziehung dieser beiden Faserplattenhersteller wurde deshalb gewählt, um einerseits eine Ausgangsqualität der Holzfaserplatten mit reproduzierbaren Eigenschaften zu bekommen und andererseits bei einer möglichen späteren Umsetzung einen zuverlässigen Lieferanten für das Halbzeug freigetestet zu haben. Wie bereits erwähnt, war außerdem eine Carbondotierung der Holzfaserwerkstoffe vorgesehen, um die Kohlenstoffausbeute zu erhöhen und damit den Gesamtschrumpf sowohl der Plattenmaterialien als auch der Bauteile zu reduzieren. Dies sollte die Herstellung vor allem komplexer Bauteile mit großen Volumina erleichtern, und zu wesentlich geringeren Ausschussquoten führen. Deshalb wurde für diese Arbeiten das DLR Stuttgart herangezogen, welches SKT im Rahmen des Projektes mit rußmodifizierten Platten auf Holzmehlbasis belieferte. Über die Ergebnisse dieser Untersuchungsvariante wird in Kapitel II berichtet werden. Da die komplexeren Bauteile, insbesondere das Demonstratormodul Wärmetauscher und auch die Verschleißkante sowohl im Holzzustand als auch im carbonisierten Zustand gefügt werden sollten, wurde für die Fügung im Holzbereich die TU Dresden in die Entwicklungsarbeiten mit einbezogen. Das Institut für Holz- und Papiertechnik unter Leitung von Professor Dr. A. Wagenführ führte ein Klebstoffscreening der Holzfaserplatten durch, um eine möglichst optimale Fügetechnik für die Modellteile im Holzfaserzustand zu erarbeiten. Auch diese Ergebnisse werden später noch ein wenig detaillierter dargestellt. Dies führte letztendlich dazu, dass ein Kleber der Firma Jovat AG, Detmold, für die weiteren Arbeiten ausgewählt wurde. Um die gesamte Fertigungskette vom Rohstoff bis zum Demonstratorbauteil abzudecken, wurde selbstverständlich auch eine möglichst optimale Designlösung für die Wärmetauschermodule gefordert. Diese Aufgabe erfüllte im Rahmen des Projektes das Ingenieurbüro Schmid, welches als Subauftragnehmer beim Projektpartner BFI mitarbeitete. Da die Fasereigenschaften, speziell deren Dichteverteilung, einen wesentlichen Einfluss auf das spätere Silizierergebnis haben, war es notwendig, Rohdichtemessungen über die Plattenstärke an den unterschiedlichen Faserplattenmaterialien durchzuführen. Diese Arbeiten wurden von der FH Salzburg, Diplomingenieur J. Lohr, durchgeführt. Eine weitere Kooperation im Bereich der Silizierung wurde mit der Schwestergesellschaft, Schunk Ingenieurkeramik (SIK) in Willich eingegangen, da die SIK im Gegensatz zur SKT I/ 18

20 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 19 von 115 über sehr große industrielle Silizieröfen mit ca. 4 Kubikmeter Siliziervolumen verfügt, was eine spätere industrielle Umsetzung selbstverständlich wesentlich kostengünstiger machen würde. Die Kooperation mit der Schwesterfirma SIK war auch deshalb wichtig, da bei der SIK im Bereich der Kapillarsilizierungen andere Parameter benutzt werden, als dies im Hause SKT der Fall ist, da sich die Silizieranlagen grundsätzlich sehr stark unterscheiden. Die beiden unterschiedlichen Siliziertechniken ermöglichen deshalb auch eine Untersuchung des Einflusses dieser unterschiedlichen Silizierparameter, wobei vor allem in Hinblick auf die spätere Verwertbarkeit zur Herstellung sehr großvolumiger Teile auf biogener Basis eine Silizierung in Industrieanlagen wesentlich risikoärmer ist, als dies bei der im Hause SKT zur Verfügung stehenden Anlage der Fall wäre. Basierend auf den Vorversuchen des Projektpartners FhG-IKTS zur Bearbeitung biogener Kohlenstoffe hat sich gezeigt, dass eine schonende schleifende bzw. Fräsbearbeitung nur möglich ist, wenn das Halbzeug möglichst spannungsarm eingespannt werden kann, so dass es zu keinerlei Vorschädigungen in den zu bearbeitenden hochempfindlichen Kohlenstoffen kommt. Deshalb wurde seitens des Projektpartners FhG-IKTS eine Gefrierspannvorrichtung benutzt, welche für die Arbeiten im Labormaßstab geeignet war. Da die Aufgabe von SKT darin bestand, die im Technikumsmaßstab erarbeiteten Erkenntnisse industriell umzusetzen, wurde mit dem Partner Hahn und Kolb vereinbart, eine derartige Gefrierspannung für großvolumige Teile zu entwickeln. Im Rahmen des Projektes konnte zwar eine derartige Gefrierspannvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, jedoch war diese für industrielle Anwendungen nicht geeignet, da die Abkühl- und Auftauzeiten für industrielle Zwecke viel zu lang waren und somit eher zu einer Blockierung der Bearbeitungsmaschinen geführt haben. Die angedachte großflächige Bearbeitung von Holzfaserplattencarbonisaten ist deshalb derzeit über eine derartige Gefrierspannung nicht machbar. Ein weiteres Problem stellte die Bearbeitung von Freiformflächen für die Verschleißkante dar. Da SKT über keine derartigen Softwareprogramme und Lizenzen verfügte, wurden die Aufträge zur 3D-Datengenerierung an einen externen Partner, die Firma Qualis in Wilsbach, vergeben. II II.1 Wissenschaftliche und technische Ergebnisse Einleitung Aufgaben / Aufgabenverteilung / Ziel Das Verbundvorhaben beinhaltete insgesamt 11 Arbeitspakete, welche nachfolgend nochmals aufgezählt sind: I/ 19

21 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 20 von 115 Arbeitspaket 1 Anmusterung und Modifizierung von biogenen Faserverbundplatten Arbeitspaket 2 Carbonisierung biogener Strukturen Arbeitspaket 3 Silicierung biogener Strukturen Arbeitspaket 4 Fügetechniken Arbeitspaket 5 Werkstoff- und Bauteilbearbeitung Arbeitspaket 6 Gefüge- und Eigenschaftsanalyse Arbeitspaket 7 Demonstrator Wärmetauscher Arbeitspaket 8 Demonstrator Pumpen-Verschleißelement Arbeitspaket 9 Industrielle Fertigungskonzepte Arbeitspaket 10 Industrielle Verwertungskonzepte Arbeitspaket 11 Projektmanagement SKT war in alle Arbeitspakete des Arbeitsplans mit eingebunden. Einerseits war SKT für die Gesamtkoordination des Projektes verantwortlich, und andererseits schwerpunktmäßig vor allem für die Arbeitspakete 2 und 3, d. h. die Carbonisierung und die Silizierung biogener Strukturen im industriellen Maßstab. Dabei sollten die Vorarbeiten des Projektpartners IKTS im Labormaßstab möglichst mit industriell verfügbaren Anlagen und vergleichbaren Parametern so umgesetzt werden, dass die gleiche Qualität bei der industriellen Umsetzung resultiert, wie dies im Labormaßstab der Fall ist. Im Rahmen des Arbeitspaketes 4, der Entwicklung von Fügetechniken, wurde auf eine Studie der TU Dresden zur Fügung im Holzfaserplattenzustand zurückgegriffen, während bei der Fügung carbonisierter Teile Erfahrungen von SKT mit modifizierten SKT-Klebern sowohl vom Projektpartner FhG-IKTS als auch SKT genutzt wurde. In einer gemeinsamen Entwicklung wurde versucht, eine möglichst homogene Fügestelle, vor allem nach dem Silizierschritt, herzustellen. Alle Vorarbeiten bezüglich der Werkstoff- und Bauteilbearbeitung erfolgten beim Projektpartner FhG-IKTS, bei welchem auch die wesentlichen Fortschritte bezüglich der mechanischen Bearbeitung hochempfindlicher carbonisierter Strukturen entwickelt wurden. Die Abstimmung bezüglich des Designs der Wärmetauschermodule erfolgte in enger Abstimmung mit den Projektpartnern BFI, dem Ingenieurbüro Schmidt und auch durch entsprechende Designvorschläge seitens des FhG-IKTS. Der Schwerpunkt SKT-seitig lag darin, möglichst einfache Bauweisen auszuwählen, um bei einer möglichen späteren Verwertung eine kostengünstige Fertigung realisieren zu können. Das Design des Verschleißelementes, der Verschleißkante des Laufrades, wurde seitens des Projektpartners SiCcast vorgegeben, der auch für die entsprechende Einbindung in die bestehende Laufradstruktur verantwortlich war. Dieses Demonstratorteil wurde I/ 20

22 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 21 von 115 schwerpunktmäßig seitens des Projektpartners FhG-IKTS bearbeitet, während sich SKT schwerpunktmäßig auf das Wärmetauscherdemonstratormodul konzentrierte. Erst im letzten Projektjahr beschäftigte sich auch SKT mit dem Verschleißteil für das Pumpenrad und entsprechenden Herstelltechniken, wobei diese Arbeiten dann in der kostenneutralen Projektverlängerung fortgesetzt wurden, jedoch in diesem Rahmen bezüglich der zu erarbeitenden Fertigungstechnik noch nicht abgeschlossen werden konnten. Derzeit laufen im Hause SKT noch Fertigungsversuche, um an einem derartigen Demonstratorteil mit den vorhandenen Freiformflächen verbesserte Herstelltechniken und auch Bearbeitungstechnologien für biogene keramische Strukturen zu erarbeiten. Diese Arbeiten wurden unabhängig von den Testergebnissen der Verschleißkanten in dem Pumpenlaufrad des Projektpartners SiCcast fortgesetzt, da man SKT-seitig davon ausgeht, dass man derartig komplexe 3-dimensional geformte Bauteile eventuell auch für andere spätere Verwertungsmöglichkeiten nutzen könnte. Die Fortsetzung der Arbeiten selbst nach Projektende mit eigenen Finanzmitteln hausintern hat letztendlich zum Ziel, dass die im Rahmen des Projektes gewonnenen Erkenntnisse sowohl für industrielle Fertigungskonzepte als auch für eine spätere industrielle Verwertung genutzt werden könnten. Nach wie vor ist eines der Fernziele, Laufräder eventuell komplett aus SiSiC herzustellen, was jedoch zum derzeitigen Zeitpunkt noch ein extrem hohes Fertigungsrisiko darstellt. Ein erster Arbeitspunkt seitens SKT stellte die Anmusterung und Modifizierung biogener Faserverbundplatten dar, da die Ausgangsplatten und deren Eigenschaften einen wesentlichen Einfluss auf alle Folgeschritte in der Gesamtprozesskette haben. Alle gewonnenen Erkenntnisse sind nachfolgend detailliert aufgeführt. II.1.1 Charakterisierung und Modifizierung der biogenen Halbzeuge Wie beschrieben, führten die Vorkenntnisse der beiden Projektpartner FhG-IKTS und SKT dazu, für das Verbundvorhaben auf Holzfaserplatten als Halbzeug zurückzugreifen, da diese in großen Mengen kommerziell verfügbar sind. I/ 21

23 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 22 von 115 Abbildung 1: Einteilung von Holzwerkstoffen [1] Es handelt sich bei mitteldichten (MDF) und hochdichten (HDF) Holzfaserplatten um den einzigen Holzwerkstoff, der in der Ebene quasiisotrop ist. Vollholzwerkstoffe, Furnierwerkstoffe und Verbundholzplatten basieren auf Naturholzstrukturen (Abb. 1) und besitzen deshalb Oberflächenstrukturen analog zum natürlichen Holz. OSB-Spanplatten wurden deshalb nicht für das Verbundvorhaben gewählt, da deren Oberfläche breite Späne in Verzugsrichtungen aufweisen und deshalb wesentlich inhomogener sind als MDF- und HDF-Platten. Die wesentlichen Vorteile der Holzfaserplatten sind: - Gute Reproduzierbarkeit der Halbzeugeigenschaften - Überlegene makroskopische und mikroskopische Gefügehomogenität im Vergleich zu OSB-Platten - Gute mechanische Bearbeitbarkeit - Halbzeuge in unterschiedlichen, definierten Dichten verfügbar - Kostengünstige Halbzeuge mit hervorragender kommerzieller Verfügbarkeit (sichere Rohstoff- bzw. Halbzeugquelle) Die MDF-Produktion ist in Europa der zweitgrößte Produktbereich in der Holzwerkstoffindustrie nach der Spanplattenherstellung, welche vorzugsweise im Bau- und Möbelbereich eingesetzt werden [2]. Der Vorteil der MDF- und HDF-Platten besteht darin, dass sie aus sehr kleinen und feinen Holzfasern hergestellt werden, wobei die feinen Holzfasern durch den Herstellprozess bedingt sind (s. Abb. 2 und 3). I/ 22

24 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 23 von 115 Abbildung 2: Prozessschritte der MDF-Herstellung [3] Abbildung 3: Fertigungsablauf bei der Herstellung von MDF-Platten [4] Wie Abbildung 2 zeigt, basiert die Holzfaserplattenherstellung auf einer Zerfaserung des Ausgangsholzes mit einem ähnlich komplexen Verfahren, vergleichbar zur Papierherstellung. Als Fließbild ist der Fertigungsablauf für MDF- und HDF-Platten in Abb. 3 schematisch dargestellt. Während MDF-Platten heute vorzugsweise nach dem Trockenverfahren gefertigt werden [4], werden HDF-Platten im Nassverfahren gefertigt [1]. Der Hauptunterschied liegt im Verpressen der Holzfaserplatten. MDF-Platten können bis zu 500 mm Dicke über Heißpressverfahren hergestellt werden. I/ 23

25 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 24 von 115 Kleine Änderungen der Fertigungsparameter können daher bei MDF-Platten zu erheblichen Eigenschaftsschwankungen führen [1]. Deshalb unterscheidet man nach DIN EN316 drei verschiedene Dichtestufen für MDF-Platten: - ultraleichte MDF-Platten von kg/m³ - leichte MDF-Platten mit ca. 650 kg/m³ - Standard MDF-Platten mit kg/m³ Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden nur Standard-MDF-Platten eingesetzt. Durch die Beschränkung auf das Nasspressverfahren sind HDF-Platten nur bis zu Dicken von maximal 12 mm industriell erhältlich. Das Nasspressen erfolgt in der Regel auf einer Mehretagenpresse, wobei HDF Dichten zwischen 800 und 1050 kg/m³ aufweisen. Die quasi-isotropen Eigenschaften von MDF- und HDF Platten in der Ebene wurden bereits in vorhergehenden Untersuchungen seitens der Projektpartner FhG-IKTS (s. Abb.4) und SKT (s. Tab. 1) ermittelt, wobei die Breitenschwindung in Abb. 4 nicht angegeben ist, da sie mit der Längenschwindung identisch ist. Die Schwindung auf die Dicke ist deutlich höher als in der Ebene (s. Abb. 4 und vgl. Tab. 1). Abbildung 4: Schwindungsverhalten und Masseverluste von MDF-Platten [5] I/ 24

26 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 25 von 115 HDF-Platte carbonisierte HDF-Platte V L [mm] B [mm] d [mm] V [mm³] m (g) µ [g/cm³] HDF-Platte , ,06 Pyrolysierte , ,6 0,95 HDF-Platte % 22,7 22,55 41,65 65,1 69,7 Tabelle 1: Schwindungsverhalten und Masseverluste von HDF-Platten nach Carbonisierung Tabelle 1 verdeutlicht nochmals, dass der Dickenschrumpf nahezu doppelt so hoch ist, wie der fast identische Längen- und Breitenschrumpf. Die Unterschiede bzgl. Längen- und Breitenschrumpf liegen fast im Bereich der Messgenauigkeit, zumal in die Datenauswertung von Tabelle 1 die Messungen von 8 Einzelplatten eingegangen sind. Die hohe Dichte der HDF-Platte wurde durch Nasspressen in einer Technikumsanlage realisiert. Auf das Pyrolyseverhalten der Holzfaserplatten wird allerdings erst im nachfolgenden Kapitel näher eingegangen. Ein weiteres Kriterium für eine spätere verzugsfreie Carbonisierung der Holzfaserplatten ist deren Homogenität bzgl. der Dichte. Da der Längen- und Breitenschrumpf identisch sind, ist eine sehr wichtige Voraussetzung für eine spannungsarme Umwandlung in ein Carbonisat erfüllt. Abbildung 5: Rohdichteprofil einer herkömmlichen MDF-Platte [6] I/ 25

27 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 26 von 115 Abbildung 5 zeigt ein typisches Rohdichteprofil einer 19 mm dicken MDF-Platte [6]. Die mittlere Dichte beträgt ca. 0,70 g/cm³, wobei im Randbereich der Platten Dichten von etwa 1,0 g/cm³ erreicht werden. Dieses Verhalten der MDF-Platten ist darauf zurückzuführen, dass die Platten via Heisspress-Methode hergestellt werden. Dadurch kommt es zu einer stärkeren Aufheizung der MDF-Plattenoberflächen im Vergleich zur Plattenmitte und deshalb zu einer höheren Verdichtung ausgehend von der Plattenoberfläche. Diese Rohdichteverteilung über die Plattendicke ist charakteristisch für alle MDF-Platten und selbstverständlich abhängig vom Plattenhersteller und der Plattendicke. Deshalb wurden die unterschiedlichen Ausgangsmaterialien bezüglich der Rohdichteverteilung vergleichend untersucht (s. Abb. 6 und 7) Rohdichte in g/cm³ 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,05 1,05 1,9 mm 16 % der Plattendicke 2,05 Rohdichteprofil einer 12 mm dicken MDF-Platte der Schreinerei Weimar im Grünzustand 3,05 lokale Rohdichte 4,05 5,05 6,05 durchschnittliche Rohdichte (0,72 g/cm³) 7,05 Messweg in mm 8,05 9,05 10,05 2 mm 17 % der Plattendicke 11,05 12,05 Abbildung 6: Rohdichteprofil einer 12 mm dicken MDF-Platte der Schreinerei Weimar im Holzzustang I/ 26

28 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 27 von 115 Rohdichteprofil einer 12 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard im Grünzustand durchschnittliche Rohdichte = 0,73 g/cm³ Rohdichte in g/cm³ 1,5 mm 13 % der Plattendicke 1,5 mm 13 % der Plattendicke Messweg in mm Abbildung 7: Rohdichteprofil einer 12 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard Beide MDF-Platten weisen eine mittlere Dichte von 0,72 g/cm³ (Schreinerplatte) bzw. 0,73 g/cm³ (Varioboard) auf. Der Plattendickenanteil, der über dieser mittleren Dichte liegt, beträgt bei der Platte aus der Schreinerei ca. 33 % und bei der Varioboardplatte ca. 26 %. Reduziert man allerdings bei der Varioboardplatte die mittlere Dichte auch auf 0,72 g/cm³, ergeben sich ähnliche Werte. Wie im Laufe der Ergebnisdarstellung noch gezeigt werden wird, ist die Homogenität der Plattendichte über die Plattendicke auch ein wesentliches Kriterium für die spätere Silizierbarkeit, da der Konvertierungsgrad zu SiC selbstverständlich von der lokalen Kohlenstoffdichte, und damit von der Carbonisatdichteverteilung über die Plattendicke abhängig ist. Im Rahmen der Carbonisierungsversuche (folgendes Kapitel) müssen auf jeden Fall die Dichteverteilung nach der Pyrolyse untersucht und darauf basierend, Verbesserungsmaßnahmen abgeleitet werden. Bezüglich der Ausgangsplatten wurde zusätzlich der Einfluss der Plattendicke auf die Dichteverteilung ermittelt. I/ 27

29 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 28 von 115 Rohdichte in g/cm³ 1,1 Rohdichteprofil einer 22 mm dicken MDF-Platte der Schreinerei Weimar im Grünzustand 1,0 0,9 0,8 0,7 lokale Rohdichte durchschnittliche Rohdichte (0,69 g/cm³) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 3,5 mm 16 % der Plattendicke 4 mm 19 % der Plattendicke 0,05 2,05 4,05 6,05 8,05 10,05 12,05 14,05 16,05 18,05 20,05 22,05 Messweg in mm Abbildung 8: Rohdichteprofil einer 22 mm dicken MDF-Platte der Schreinerei Weimar im Holzzustand Auch die 22 mm dicke MDF-Platte zeigt das charakteristische Rohdichteprofil über die Plattendicke. Bei einer mittleren Rohdichte von 0,69 g/cm³ liegen 35 % der Plattendicke der MDF-Platte aus der Schreinerei oberhalb dieses Mittelwertes und müssten deshalb bei der Anforderung an die Halbzeuge mit einer möglichst einheitlichen Dichteverteilung verworfen werden (Abb. 8). Allerdings ist die Dichteverteilung auf eine Restdicke von ca. 12 mm nahezu konstant mit Werten zwischen 0,61 und 0,64 g/cm³ (s. Abb. 8). Im Vergleich zur MDF-Platte aus der Schreinerei zeigt die Platte von Varioboard bei vergleichbarer Dicke eine wesentlich inhomogenere Dichteverteilung mit 42 % der Plattendicke oberhalb des durchschnittlichen Rohdichtewertes (vgl. Abb. 9 mit Abb. 8). I/ 28

30 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 29 von 115 Rohdichteprofil einer 19 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard im Grünzustand durchschnittliche Rohdichte = 0,71 g/cm³ Rohdichte in g/cm³ 4 mm 21 % der Plattendicke 4 mm 21 % der Plattendicke Messweg in mm Abbildung 9: Rohdichteprofil einer 19 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard. Dies würde letztendlich bedeuten, dass nur ca. 11 mm der Gesamtplattendicke nutzbar wäre, falls diese Rohdichteverteilung auch beim Carbonisieren erhalten bleibt und letztendlich keine Gradierung der herzustellenden SiSiC-Platten über die Plattendicke erwünscht ist. Für homogene, dicke SiSiC-Platten auf biogener Basis ist also die Rohdichteverteilung besonders nach der Carbonisierung wichtig. Um möglichst geringe Gradienten zu erhalten, müssten z. B. für 18 mm dicke Halbzeuge im Bereich der Solldicke ca. 30 mm dicke MDF- Ausgangsplatten gewählt werden, wie Abbildung 10 beweist. I/ 29

31 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 30 von 115 Rohdichteprofil einer 30 mm dicken MDF-Platte der Firma im Varioboard im Grünzustand durchschnittliche Rohdichte = 0,67 g/cm³ Rohdichte in g/cm³ 6 mm 20 % der Plattendicke 6 mm 20 % der Plattendicke Messweg in mm Abbildung 10: Rohdichteprofil einer 30 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard Neben der Homogenität der Ausgangsplatten spielt deren Pyrolyseverhalten eine wichtige Rolle, um defektfreie Carbonisate und biogene Keramiken herzustellen. Deshalb wurde in Vorversuchen mittels thermogravimetrischer Analysen an Laborproben das Pyrolyseverhalten der MDF- und HDF-Plattenmaterialien untersucht, um geeignete Parameter für die industrielle Carbonisierung großformatiger Platten zu finden. Thermogravimetrisch untersucht wurden alle Platten. Da der Gesamtgewichtsverlust im Bereich von +/- 2 % identisch war, ist nachfolgend exemplarisch nur das Ergebnis der beiden 12 mm dicken MDF-Platten gezeigt (Abb. 11, Abb. 12) I/ 30

32 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 31 von 115 Abbildung 11: TG-Analyse einer 12 mm dicken MDF-Platte der Schreinerei Weimar. Abbildung 12: TG-Analyse einer 12 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard Beide MDF-Platten zeigen prinzipiell den gleichen Pyrolyseverlauf. Die Masseänderung bis 100 C ist auf die Entfernung von Restwasser aus der Holzfaserplatte zurückzuführen. Ab etwa 230 C beginnt die eigentliche Pyrolyse der Holzfaserplatte. Die Gewichtsverluste aller untersuchten MDF-Platten lagen bis 230 C zwischen 4,2 % bis 4,86 % unabhängig vom Hersteller und der Plattenausgangsdicke. Die Hauptpyrolyse findet zwischen 230 C und I/ 31

33 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 32 von C statt (s. Abb. 11 und 12), wobei die Gewichtsverluste bei den MDF-Platten zwischen 48 % und 51 % lagen. Ein weiterer Gewichtsverlust von % wird bei den thermogravimetrischen Untersuchungen zwischen 350 C und 400 C gemessen (s. Abb. 11 und 12). Dies galt für alle untersuchten MDF-Platten. Der Gewichtsverlust zwischen 600 C und 1500 C mit 3-5 % ist so gering, dass er auf die auszuwählenden Carbonisierungsbedingungen keinen Einfluss hat. Aus diesen Voruntersuchungen wurde geschlossen, dass der Standardprozess von SKT für Erstcarbonisierung prinzipiell auch für die Carbonisierung der Holzfaserplatten geeignet ist. Die maximale Pyrolysetemperatur bei diesem Prozess beträgt 1100 C und ist deshalb basierend auf den Erkenntnissen der thermogravimetrischen Untersuchungen auch geeignet, da dies eine praktisch vollständige Carbonisierung der MDF- und HDF-Platten ermöglicht. Deshalb wurde die erste Umsetzung zur Carbonisierung im industriellen Maßstab in Standardöfen mit Standardprozessen an MDFund HDF-Rohlingsplatten im Anlieferungszustand durchgeführt. II.1.2 Ergebnisse der Carbonisierung von Holzfaserplatten im industriellen Maßstab (AP2) II Einleitung Die Carbonisierung der Holzfaserwerkstoffe ist der wichtigste Schritt bei der Nutzung biogener Rohstoffe für SiC-Werkstoff- und Bauteilentwicklungen. Bedingt durch den Volumenschwund und die anisotrope Schwindung in der Ebene bzw. senkrecht dazu, ist eine fehlerfreie Pyrolyse nur möglich, wenn die Carbonisate nach der Pyrolyse verzugs- und rissfrei sind. Wesentliche Parameter für die Pyrolyse sind: - Das Pyrolyseregime, d. h. Aufheizgeschwindigkeit als Funktion der Zeit und der Temperatur - Der Carbonisierungsofen - Die Plattengröße und -dicke - Die Anzahl der Platten - Die Packweise im Ofen - Die Nutzung geeigneter Brennhilfsmittel - Die Form der biogenen Struktur - Die Zusammensetzung der Holzfaserwerkstoffe Vorversuche zur Carbonisierung wurden beim Projektpartner FhG-IKTS durchgeführt [7], wobei die Platten in den Ausgangsabmessungen 150 x 150 mm² eingesetzt wurden. Die I/ 32

34 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 33 von 115 Versuche wurden mit sehr langsamen Aufheizgeschwindigkeiten im Bereich 200 C C gefahren. Dabei reslutierten folgende mittlere Schrumpfwerte (s. Tabelle 2). Plattendicke [mm] Längen- und Breitenschrumpf [%] Dickenschrumpf [%] Anzahl der Prüfplatten 3 23,83+/- 0,35 40,81 +/- 0, ,77 +/- 0,37 41,98 +/- 0, ,64 +/- 0,22 41,25 +/- 0, ,90 +/- 0,81 40,21 +/- 2, ,69 +/- 0,54 42,34 +/-0, ,44 +/- 0,89 44,03 +/- 0,34 19 Tabelle 2: Schrumpfverhalten unterschiedlich dicker Holzfaserplatten bei Carbonisierung bis 1150 C beim Projektpartner FhG-IKTS [7] Die Pyrolyse der HDF- (3 mm und 8 mm) und der MDF-Platten beim Projektpartner belegt eindrucksvoll die sehr gute Reproduzierbarkeit der Carbonisierungsschwundmaße unabhängig von Holzfaserplattentyp und dessen Ausgangsdicke. Allerdings ist eine direkte Übertragbarkeit auf die industriellen Bedingungen nicht machbar, wie nachfolgend erläutert wird. II Carbonisierungsergebnisse von Holzfaserplatten unter industriellen Bedingungen Der seitens SKT gewählte Carbonisierungsofen ermöglicht die Carbonisierung großflächiger Platten mit Abmessungen von mindestens 2 x 2 m² und Gesamtbeladungen bis zu ca. 10 m³. Problematisch bei diesen industriell eingesetzten Ofenanlagen ist die Temperatursteuerung im unteren Temperaturbereich, d. h. dem Bereich zwischen 200 C und 250 C, also der beginnenden Pyrolyse von Holzfaserplatten (s. Abb. 11 und 12). Zum prinzipiellen Nachweis der Nutzbarkeit des Carbonisierungsofens von SKT wurden erste Carbonisierungsversuche in kleineren Plattenabmessungen, 200 mm x 200 mm, mit 12 und 22 mm dicken MDF-Platten durchgeführt. Es wurden jeweils 6 Platten zur Bestimmung der Mittelwerte herangezogen, wobei auf jeder Platte jeweils 8 Messpunkte für die Längen-, Dicken- und Breitenmessung definiert festgelegt wurden. Die Abbildungen 13 und 14 zeigen das Schrumpfverhalten der beiden MDF-Plattenvarianten. I/ 33

35 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 34 von 115 Schwindung in % Schwindungen gegenüber dem Grünzustand der 12 mm dicken MDF-Platten der Schreinerei Weimar 41,4 % 42,4 % 22,6 % 22,6 % 22,8 % 22,8 % carbonisiert graphitiert Längenschwindung Breitenschwindung Dickenschwindung Abbildung 13: Dimensionsänderung der 12 mm dicken MDF-Platten nach der Carbonisierung bzw. Graphitierung Schwindung in % Schwindungen gegenüber dem Grünzustand der 22 mm dicken MDF-Platten der Schreinerei Weimar 41,3 % 42,4 % 21,6 % 21,7 % 21,4 % 21,8 % carbonisiert graphitiert Längenschwindung Breitenschwindung Dickenschwindung Abbildung 14: Dimensionsänderung der 22 mm dicken MDF-Platten nach der Carbonisierung bzw. Graphitierung I/ 34

36 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 35 von 115 Die Einzelplatten konnten problemlos mit dem gewählten Standardzyklus im Industrieofen carbonisiert werden. Die Schrumpfwerte sind nahezu vergleichbar zu den Werten des Projektpartners FhG-IKTS (vgl. mit Tab. 2) und nur auf die unterschiedlichen MDF- Plattenhersteller, d. h. die Holzfaservarianten, zurückzuführen. Die Standardabweichungen waren deutlich kleiner 1 %, so dass auch von einer sehr guten Reproduzierbarkeit der Carbonisierung von Einzelplatten in den Abmessungen 200 x 200 mm² gesprochen werden muss. Ein Einfluss der Plattendicke ist analog zu den FhG-IKTS-Ergebnissen nicht erkennbar. Die spätere Silizierung (siehe nächstes Kapitel) erfordert höhere Temperaturen, wie Abb. 15 verdeutlicht. Abbildung 15: Fließschema zur Herstellung biogener SiSiC-Keramiken Die im Vergleich zur Carbonisierung höheren Siliziertemperaturen könnten zu Bauteilverzügen führen, was bei Net Shape - Varianten auf jeden Fall ausgeschlossen werden müsste. Deshalb wurden die Carbonisate bis 2100 C geglüht (s. Abbildung 13 und 14), um den Einfluss auf das Schwindungsverhalten zu bestimmen. Weder die 12 mm (s. Abb. 13) noch die 22 mm dicke Platte (s. Abb. 14) zeigte eine deutlich messbare Veränderung der Schwundmaße in der Ebene. Lediglich in der Plattendicke war ein I/ 35

37 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 36 von 115 eindeutig messbarer zusätzlicher Schrumpf zu erkennen. Dieses Verhalten ist analog zu gewebeverstärkten CFC-Werkstoffen, da in der Plattenebene das Ausdehnungs- bzw. Schrumpfverhalten von den Fasern, in diesem Falle von den carbonisierten Zellulosefasern, dominiert wird. Die Holzfaserplatten könnten also auch ohne Hochtemperaturzwischenbehandlung direkt siliziert werden. Dieses Verhalten wurde auch durch die Carbonisierungsversuche beim IKTS bestätigt. [7], da kein Unterschied im Dicken- und Längenschrumpf bei Carbonisierungstemperaturen von 1150 C bzw C messbar war. Die im Fließbild (Abb. 15) eingezeichneten Herstellmodifikationen, wie Bearbeiten im Holzfaserplatten- oder Carbonisatzustand bzw. mögliche Nachverdichtungen und Recarbonisierungen, stellen weitere wichtige zu untersuchende Herstellparameter für eine industrielle Fertigung dar, wie noch gezeigt werden wird. Da die Versuche beim Projektpartner FhG-IKTS gezeigt haben, dass selbst bei Plattenabmessungen von 150x 150 mm² Brennhilfsmittel benutzt werden müssen; bestimmte SKT in Vorversuchen, welche Plattenbeschwerung bei Einzelplatten notwendig ist, um ebene Carbonisate zu erhalten. Die erforderliche spezifische Flächenpressung war bei den 12 mm und 22 mm dicken MDF-Versuchsplatten praktisch identisch. II Stapelversuche Nachdem nachgewiesen war, dass der große Carbonisierungsofen für die Pyrolyse geeignet ist, musste untersucht werden, welche Packweisen möglich sind, um eine möglichst optimale Ofenausnutzung zu gewährleisten. Daher wurden unterschiedliche Stapelversuche durchgeführt. Alle Stapelversuche mit Platten in den Abmessungen 1400 x 1032 x 22 mm und mindestens 3 Platten im Stapel führten trotz optimaler Beschwerung und auch der Verwendung von Ausgasungs- und Gleithilfen (Graphitfolien) zur vollständigen Zerstörung der Carbonisatplatten (s. Abb. 16 und 17). Die Ursache für dieses Verhalten könnte einerseits die Aufheizrate im unteren Pyrolysebereich und die dadurch entstehenden Pyroylsegase sein, oder aber auch die Plattendicke von jeweils 22 mm. I/ 36

38 BMBF- Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau Abschlussbericht-01RB0703A Seite 37 von 115 Abbildung 16: MDF-Plattenstapel (22 mm) mit Graphitstreifen Abbildung 17: Zerbrochene Platten des Stapelversuchs mit 22 mm dicken MDF-Platten nach der Carbonisierung Reduziert man bei den Stapelversuchen die Einzelplattendicke auf z. B. 12 mm, ist eine zerstörungsfreie Carbonisierung bei entsprechender Beschwerung der MDF-Platten machbar, wie Abbildung 18 beweist. Allerdings sind die Carbonisatplatten nicht exakt eben, sondern leicht wellig (s. Abb. 18). I/ 37

39 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 38 von 115 Abbildung 18: Stapelversuch mit 5 MDF-Platten der Dicke 12 mm nach der Carbonisierung Dies könnte zwar durch höhere Gewichtsbelastung beim Carbonisieren reduziert werden, führt jedoch dann wiederum zu Rissbildungen im Carbonisat. Außerdem verstärken die zur leichteren Pyrolysegasentfernung eingebrachten Graphitfolienstreifen die Ausbildung der Welligkeiten. Basierend auf diesen Versuchsreihen wurde festgelegt, dass großformatige Holzfaserplatten nur als Einzelplatten carbonisiert werden dürfen, um möglichst ebene Carbonisate zu erhalten. Welche Ebenheiten tatsächlich realisierbar sind, wird nachfolgend kurz erläutert. II Ebenheit biogener Carbonisatplatten Der Ebenheit der Platten nach der Pyrolyse kommt eine entscheidende Bedeutung zu, da diese einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat. Die Platten müssen so eben aus dem Pyrolyseprozess herauskommen, dass ein Überschleifen der Platten nur in Ausnahmefällen, in denen eine besonders hohe Ebenheit verlangt wird, notwendig wird. Denn durch die Überarbeitung der Platten reduziert sich wiederum die Plattendicke und somit wird der Volumenschrumpf zwischen Ausgangsplatte und nutzbarem Kohlenstofftemplat noch größer. Wenn die Unebenheiten sehr groß sind, kann dies dazu führen, dass die Unebenheiten nicht mehr durch die Bearbeitung entfernt werden können und die Platten somit Ausschuss werden. Zur Ermittlung der Ebenheit wurden die Platten auf einer 3D-Koordinatenmessmaschine vermessen. Hierzu wird die Plattenoberseite mit einer bestimmten Anzahl von Messpunkten abgetastet. Die Abtastungen erfolgen in Längen- und Breitenrichtung in einem definierten I/ 38

40 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 39 von 115 Abstand, der je nach Plattengröße variiert wird. Somit entsteht eine Art Rechteckmuster an Messpunkten (Abb.19). Abbildung 19: Antastmuster zur Bestimmung der Ebenheit der Platten Aus dieser Punktewolke wird ein Oberflächenprofil der Platte konstruiert, welches zwischen zwei gedachte parallele Ebenen gelegt wird. Der Wert t gibt den nötigen Abstand der beiden gedachten parallelen Ebenen an, so dass die vermessene Platte die beiden Ebenen nicht durchsticht (siehe Abbildung 20). Je größer der Wert t, desto unebener die Platte. Die Platten wurden immer mit der Krümmung nach oben zeigend vermessen. Gedachte parallele Ebenen Gewölbte Platte Abbildung 20: Messprinzip zur Ermittlung der Ebenheit I/ 39

41 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 40 von 115 Da, wie bereits erwähnt, nur die 12 mm dicken MDF-Platten die Carbonisierung im Stapelversuch unzerstört überlebten, wurden die 12 mm Platten zuerst im Ausgangszustand, wie angeliefert, vermessen. Die Ausgangsmaße der Platte betrugen 1400 x 1035 x 12 mm³, wobei alle 100 mm in Längenund Breitenrichtung ein Messpunkt mit der 3D-Koordinatenmessmaschine bestimmt wurde. Aus den insgesamt 140 Messpunkten ergab sich nach dem Messprinzip gemäß Abbildung 20 eine Ebenheit der Holzfaserplatte von 0,22 mm. Nach der Carbonisierung im Stapelversuch war, wie bereits erwähnt, die Ebenheit der Platten nicht mehr für großfromatige Verwendungen akzeptierbar, wie Tabelle 3 beweist. Plattennummer Abmessungen in mm (L x B x Plattendicke) Ebenheit t nach der Carbonisierung in mm M x 811 x 6,9 5,2 M x 786 x 6,9 2,5 M x 812 x 7,0 8,4 Ebenheit t in mm im Holzzustand als Vergleich 0,22 Tabelle 3: Ebenheitswerte der 12 mm dicken MDF-Platten nach Carbonisierung im Stapel unter Last (Schreinereiplatte) Die Plattennummern kennzeichnen gleichzeitig auch die Stapelfolge (M82 ist die unterste Platte). Die Plattenverformungen sind teilweise sogar höher als die resultierende Plattendicke nach der Carbonisierung (s. Tab. 3, Platte M82). Eine Carbonisierung großformatiger Platten im Stapel ist also auch aus Qualitätsgründen, nicht akzeptable Ebenheit, auf jeden Fall völlig ungeeignet, sofern das gewählte Carbonisierungsregime beibehalten werden soll. Deshalb wurden alle Folgeversuche zur Untersuchung des Einflusses der Carbonisierung auf die Ebenheit der Platten als Einzelplattencarbonisierung mit flächiger Gewichtsbelastung durchgeführt, wie in der Chargieranordnung auf Abbildung 21 gezeigt. I/ 40

42 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 41 von 115 Abbildung 21: Aufbau zu Einzelplattencarbonisierung der 3 MDF-Platten der Firma Varioboard. Selbstverständlich könnte die Packungsdichte der Platten im Ofen noch erhöht werden, wenn entsprechend spezifisch auf die Plattendicke abgestimmte Chargiervorrichtungen angefertigt werden. Die Ausgangsplatten von Varioboard besaßen folgende Grünkörperdicken: V10 = 12 mm V11 = 19 mm V35 = 30 mm Die Plattenmaße betrugen 1000 x 1000 mm². Um eine möglichst exakte Ebenheitsmessung zu erhalten, betrug der Abtastabstand auf der 3D-Messmaschine nur 50 mm, so dass im Grünzustand 400 Einzelmesspunkte zur Ebenheitsermittlung herangezogen wurden. Für die carbonisierten Platten wurde zwar der gleiche Abtastabstand gewählt, jedoch nur 225 Messpunkte ermittelt, bedingt durch den Längen- und Breitenschrumpf nach der Carbonisierung. Plattennummer Tabelle 4: Abmessungen in mm (L x B x Plattendicke) Ebenheit t nach der Carbonisierung in mm Vorherige Ebenheit t im Grünzustand in mm als Vergleich V x 764 x 6,9 0,51 0,24 V x 764 x 11,0 0,85 0,16 V x 763 x 17,4 3,1 0,73 Ebenheit der MDF-Platten der Firma Varioboard vor und nach der Carbonisierung I/ 41

43 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 42 von 115 Die Ebenheit der unbearbeiteten MDF-Platten im Anlieferungszustand ist vergleichbar mit den Messwerten der 12 mm MDF-Platten aus der Schreinerei mit einem Ebenheitswert von t= 0,22 mmm (vgl. V10 aus Tabelle 4). Die 19 mm dicke Ausgangsplatte (V11) weist sowohl absolut (t = 0,16 mm) als auch prozentual (0,84 %) die beste Ebenheit auf, während die 12 mm MDF- Ausgangsplatte mit t = 0,24 mm bei 2 % Unebenheit bezogen auf die Dicke liegt, beträgt der Wert bei der 30 mm dicken MDF-Platte im Grünzustand 2,4 % und bewegt sich damit in einem vergleichbaren und akzeptablen Rahmen. Erwartungsgemäß nimmt die Unebenheit auch bei der Einzelplattencarbonisierung im Vergleich zum Grünzustand zu (s. Tabelle 4), wobei anscheinend mit zunehmender Plattendicke auch die Unebenheit zunimmt. Die Werte der Ebenheit sind zwar deutlich besser als bei der Carbonisierung im Stapel, wären jedoch zur Herstellung eines Wärmetauschers mit Fügung im Carbonisatzustand nicht geeignet, obwohl die Ebenheitsmessung selbstverständlich nichts aussagt über lokal benachbarte Bereiche der Carbonisatplatte, sondern nur über deren Gesamtdeformation bezogen auf die Gesamtfläche. Die prozentuale Unebenheit hat deutlich zugenommen, nämlich für Platte V10 von 2 % auf 7,4 %, für V11 von 0,84 % auf 7,7 % und für V35 von 2,4 % auf 17,8 %. Wie im vorhergehenden Kapitel beschrieben, ist die Rohdichte unbearbeiteter MDF-Platten über die Plattendicke inhomogen, wie nachfolgend nochmals am Beispiel einer 30 mm dicken MDF-Platte von Varioboard gezeigt (Abbildung 22). Diese inhomogene Dichteverteilung könnte eine Ursache für die Verformungen bei der Carbonisierung sein. Dies gilt vor allem, wenn die Dichteunterschiede in Bezug zur Plattenmitte nicht symmetrisch sind. Eine Möglichkeit, die Dichteunterschiede in der Dicke zu reduzieren, stellt die Bearbeitung der Holzfaserplatten im Grünzustand dar (s. Abb. 15), wobei jedoch zwei Aspekte zu berücksichtigen sind: a) die Wirtschaftlichkeit b) die Güte der bearbeiteten MDF-Platten I/ 42

44 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 43 von 115 Rohdichteprofil einer 30 mm dicken MDF-Platte der Firma im Varioboard im Grünzustand durchschnittliche Rohdichte = 0,67 g/cm³ Rohdichte in g/cm³ 6 mm 20 % der Plattendicke 6 mm 20 % der Plattendicke Messweg in mm Abbildung 22: Rohdichteprofil einer 30 mm dicken MDF-Platte der Firma Varioboard Bearbeitet man die Platte aus Abbildung 22 mitten symmetrisch, müssten mindestens 6 mm beidseitig abgeschliffen werden. Selbst bei 40 % reduzierter Gesamtplattendicke ist der verbleibende Dichteunterschied zwischen Plattenoberfläche (0,67 g/cm³) und Plattenmitte(0,54 g/cm³) noch sehr hoch. Die 30 mm Platte weist nur über eine Dicke von 10 mm eine gleichmäßige Dichte von 0,54 g/cm³ auf, was einem Gesamtabtrag von 2/3 der Plattendicke und daher des Plattenvolumens entspräche. Dies ist bezüglich der Zielsetzung, einen nachhaltig verfügbaren Rohstoff kosteneffektiv einzusetzen, absolut kontraproduktiv. Einen weiteren Nachteil stellt die geringe Ausgangsdichte dar, die sich beim Carbonisieren noch weiter reduziert, so dass sich der verbleibende Kohlenstoffgehalt sehr weit entfernt vom stöchiometrischen Wert des Kohlenstoffgehalt in reinem SiC, mit 0,966 g/cm³ C-Dichte, bewegt. Dies würde bei einer Silizierung gemäß der Reaktionsgleichung Si + C SiC zu einem SiSiC-Werkstoff mit einem sehr hohen Anteil an freiem Silizium und damit letztendlich zu schlechteren Werkstoffeigenschaften führen. Wie dieser Effekt vermindert werden kann, ist im Fließbild der SiSiC-Herstellung dargestellt (s. Abb. 15). Das Kohlenstoffangebot müsste durch eine Nachimprägnierung / Recarbonisieurung mit einem I/ 43

45 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 44 von 115 Kohlenstoffspender, wie z. B. einem Phenolharz, erhöht werden. Auf diese Thematik wird noch eingegangen, wobei jedoch hier bereits anzumerken ist, dass jeder zusätzliche Prozessschritt, ob Bearbeitung, Nachimprägnierung oder Recarbonisierung, ein Kostentreiber und damit eigentlich unerwünscht ist. Für die Untersuchung des Einflusses der Dichteverteilung über die Plattendicke auf deren Ebenheit vor und nach der Carbonisierung wurden wiederum drei verschiedene Ausgangsplattendicken von 12 mm, 19 mm und 30 mm als 1 m² Platten von der Firma Varioboard ausgewählt. Die Rohdichte über die Plattendicke wurde seitens Varioboard bestimmt und SKT legte die Dicken nach der Bearbeitung basierend auf den Dichtemessungen fest. Die Abtastabstände für die Ebenheitsmessungen betrugen 50 mm. Tabelle 5 zeigt die Ebenheiten in Abhängigkeit der Bearbeitung und der Carbonisierung. Platte Dicke vor Bearbeitung [mm] Dicke nach Bearbeitung [mm] Ebenheit Grün [mm] Bearbeitet [mm] Carbonisiert [mm] Dicke carb. [mm] V ,28 0,40 1,05 5,2 V ,14 1,8 0,75 7,5 V ,68 0,43 0,83 11,8 Tabelle 5: Einfluss der Bearbeitung und der Carbonisierung auf die Ebenheit verschieden dicker MDF-Ausgangsplatten Mit Ausnahme der 30 mm Platte weisen die unbearbeiteten Platten im Anlieferungszustand die beste Ebenheit auf. Die gewählte Bearbeitungsmethode führt zu schlechteren Ebenheitswerten. Die Auswirkung der Carbonisierung sieht man besser in Tabelle 6. Platte Dicke Ebenheit Dicke Ebenheit Dicke Ebenheit grün Grün Bearbeitet [mm] % carb. mm % [mm] [mm] [%] [mm] [mm] V3 12 0,28 2,33 9 0,40 4,4 5,2 1,5 20,2 V ,14 0, ,8 13,9 7,5 0,75 10 V ,68 2, ,43 2,15 11,8 0,83 7,03 Tabelle 6: Einfluss der Bearbeitung und der Carbonisierung der MDF-Platten auf dickenbezogene Ebenheitsveränderungen I/ 44

46 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 45 von 115 Eine eindeutige Tendenz der Ebenheit bezüglich der Bearbeitung der Grünplatten ist nicht erkennbar (s. Tabelle 6). Bei der Carbonisierung sollte die prozentuale Ebenheitsabweichung im Vergleich zum Grünzustand (bearbeitet) zunehmen, was jedoch nur für die dünne Platte (9 mm nach Bearbeitung) und die dickste Variante (20 mm nach Bearbeitung) gilt. Die prozentuale Ebenheitsabweichung ist aber bei der Platte mit 19 mm Ausgangdicke mit 10 % und bei der Platte mit 12 mm Ausgangsdicke mit 20,2 % nach Carbonisierung extrem, so dass die Bearbeitung der Platten im Grünzustand für diese Dicken weder sinnvoll noch wirtschaftlich ist. Dies bestätigt auch die vergleichende Darstellung in Tabelle 7. Platte Dicke grün Dicke Ebenheit Carb. Bemerkungen [mm] Carbon. [mm] [mm] [%] V ,9 0,51 7,4 Unbearb. V3 12 5,2 1,05 20,2 Bearb. V ,85 7,7 Unbearb. V ,5 0,75 10 Bearb. V ,4 3,1 17,8 Unbearb. V ,8 0,83 7,03 Bearb. Tabelle 7: Einfluss der Bearbeitung auf die prozentuale Ebenheitsabweichung nach der Carbonisierung Nur bei den 30 mm dicken Platten führt die Bearbeitung im Grünzustand zu einer verbesserten Ebenheit nach der Carbonisierung (s. Tabelle 7). Dies gilt sowohl für den prozentualen Wert als auch für den Absolutwert der Ebenheit. Die Absolutwerte der Ebenheit liegen bei allen bearbeiteten Platten im Bereich von 1 mm oder weniger, so dass die Bearbeitung tatsächlich ein Verbesserungspotenzial bieten könnte. Allerdings müsste die Bearbeitung bezüglich der Abtragsdicke minimiert werden, und die Bearbeitungsgüte deutlich verbessert werden, da eine Verschlechterung der Plattenebenheit bereits im Grünzustand nach der Bearbeitung (s. Tabelle 5) völlig inakzeptabel ist. Die Verbesserung der Bearbeitungsgüte bei minimiertem Abtrag sollte auch zu deutlich besseren Ebenheitswerten nach der Carbonisierung führen. Dies wurde allerdings im Rahmen des Projektes nicht untersucht, da es weder für die Demonstratorherstellung noch für den Nachweis der industriellen Verwertbarkeit notwendig war. Das Ziel des Projektes war die Entwicklung von SiSiC-Keramiken auf biogener Basis möglichst in machbarer Bauweise. I/ 45

47 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 46 von 115 Wie bereits erwähnt, ist für die Konvertierung in eine SiC-Keramik, ein möglichst stöchiometrischer C-Gehalt erwünscht, der einer C-Dichte von 0,966 g/cm³ in reinem SiC entsprechen würde. Deshalb sind die nach der Carbonisierung resultierenden Dichten der Holzfaserplatten und deren Modifizierbarkeit von besonderem Interesse. II Einfluss der Nachverdichtungsschritte auf die C-Dichte von Holzfaserplatten Die Dichten der MDF-Platten liegen immer unterhalb 0,80 g/cm³, so dass nach deren Carbonisierung noch geringere Werte resultieren und deshalb Nachverdichtungen zur Erhöhung der Kohlenstoffdichte unverzichtbar sind. Die einfachste Möglichkeit stellt die drucklose Nachverdichtung dar. Plattennummer Abmessungen grün in mm Abmessungen nach Graphitierung in mm geometrische Dichte in g/cm³ H12 Imprägnierung grün carbonisiert graphitiert M x 1035 x x 815 x 7 0,73 0,54 0,53 0,73 0,85 0,86 M x 1035 x x 795 x 7 0,74 0,57 0,56 0,76 0,87 0,88 durchschnittliche Dichteveränderung in % -24,3-1,8 +36,1 +16,2 +0,78 Tabelle 8: Dichtezunahme bei druckloser Nachverdichtung von graphitierten MDF- Platten Die Dichte nach der Graphitierungsglühung ist äußerst niedrig und deshalb wenig geeignet, gute mechanische Eigenschaften im SiSiC bei nachfolgender Konvertierung einzustellen. Die Versuche zeigen jedoch auch, dass nach der 2. Nachverdichtung (s. Tabelle 8) praktische keine Dichtezunahme, d. h. Harzaufnahme, mehr zu beobachten ist. Wie in den Abbildungen 6-10 gezeigt, besitzen MDF-Platten eine stark inhomogene Dichteverteilung über die Plattendicke, so dass der äußere Plattenbereich schneller durchverdichtet ist und damit das Eindringen von Phenolharz beim drucklosen Nachimprägnieren über Kapillarkräfte verhindert, so dass das Phenolharz noch auf der Plattenoberfläche haftet (s. Abb.23). I/ 46

48 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 47 von 115 Abbildung 23: Phenolharzreste auf der Platte M81 nach der 3. Nachverdichtung Dies führt im Extremfall sogar zu Abplatzungen und Schädigungen im oberflächennahen Bereich. Welchen Einfluss die Nachverdichtungen auf die mechanischen Eigenschaften des biogenen Kohlenstoffs und die biogene SiSiC-Keramik haben, soll nachfolgend dargestellt werden. Die mechanischen Untersuchungen an definierten Prüflingen erfolgte beim Projektpartner FhG-IKTS. Das nachfolgende Fließbild (Abb. 24) zeigt die Herstellung der unterschiedlichen Proben, ohne Nachverdichtung, mit einer Nachverdichtung und mit zwei Nachverdichtungen. I/ 47

49 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 48 von 115 Abbildung 24: Fließbild zum Einfluss der Nachverdichtungen graphitierter MDF-Platten auf deren Silizierbarkeit Nach jedem Schritt wurden sowohl Kohlenstoffproben, als auch später Prüfkörper für die unterschiedlich silizierten Varianten entnommen. Der Einfluss der Nachverdichtungen auf die Kohlenstoffproben zeigt Abb. 25. FU ,9 Festigkeit [MPa] ,1 15, Anzahl Nachverdichtungen Abbildung 25: Einfluss der Nachverdichtungen auf die Biegefestigkeit biogener Kohlenstoffe auf MDF- Basis I/ 48

50 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 49 von 115 Die Biegefestigkeitswerte wurden im Dreipunktbiegeversuch an 7 mm dicken Probenkörpern bei einem Auflagenabstand von 50 mm ermittelt. Erwartungsgemäß steigt die Biegefestigkeit der biogenen Kohlenstoffe mit zunehmender Dichte (s. Abb. 25). Dies gilt selbstverständlich auch für deren Steifigkeitswert, welcher von 2,1 GPa (ohne Nachverdichtung) über 3,8 GPa (eine Nachverdichtung) auf 7,3 GPa (zwei Nachverdichtungen) steigt. 300 FU2920 P ,9 Festigkeit [MPa] ,2 152, Anzahl Nachverdichtungen Abbildung 26: Einfluss der Nachverdichtungen graphitierter MDF-Platten auf die Festigkeit der biogenen SiSiC-Werkstoffe Dies scheint bezüglich der Biegefestigkeitswerte der resultierenden biogenen SiSiC- Werkstoffe nicht zu gelten (s. Abb. 26). Allerdings muss dabei erwähnt werden, dass die keramischen Prüfkörper wie hergestellt, im 4Punkt-Biegetest geprüft wurden, ohne jegliche Oberflächenbearbeitung, wie dies bei Keramiken normalerweise üblich ist. Daher resultieren auch die hohen Standardabweichungen mit bis +/- 30 MPa bei der 2fach nachverdichteten Variante. Der tatsächliche Einfluss des höheren SiC-Gehaltes in der biogenen Keramik bei einem höheren C-Angebot vor der Silizierung (s. Abb. 24), zeigt sich im Einfluss auf den Elastizitätsmodul und die Dichte der biogenen Keramik, die im Gegensatz zur Biegefestigkeit unabhängig von der Oberflächengüte nicht polierter Proben sind (s. Abb. 27 und 28). I/ 49

51 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 50 von 115 FU2920 P E-Modul [GPa] ,5 296,6 334, Anzahl Nachverdichtungen Abbildung 27: Einfluss der Nachverdichtungen graphitierter MDF-Platten auf die E-Moduli der biogenen SiSiC-Keramik FU2920 P77 3,5 3 2,7 2,9 3,0 Raumgewicht [g/cm³] 2,5 2 1,5 1 0, Anzahl Nachverdichtungen Abbildung 28: Einfluss der Nachverdichtungen graphitierter MDF-Platten auf Dichten der biogenen SiSiC-Keramik I/ 50

52 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 51 von 115 Die zunehmende Biegesteifigkeit der biogenen Keramik (Abb. 27) ist ein deutliches Zeichen für die Annäherung an eine SiC-haltigere SiSiC-Keramik bei höherem Kohlenstoffangebot für die Reaktionssilizierung. Dies zeigt sich auch im Silizierfaktor, d. h. der Si-Aufnahme, der sich von 5,28 (nicht nachverdichtete Platte) auf 2,6 bei zweifacher Nachverdichtung der graphitierten MDF-Platten reduziert. Die relativ hohen Dichten der Platten mit weniger Nachverdichtung sind also auf die hohe Si- Aufnahme und damit den hohen Gehalt von freiem Silizium im biogenen SiSiC zurückzuführen. Ein Indiz dafür ist auch, dass die Varianten ohne bzw. mit einer Nachverdichtung auch die geringsten Restporositäten nach der Silizierung mit kleiner 1 % aufweisen, während bei den Proben mit zwei Nachverdichtungen eine durchschnittliche Porosität von 1,8 % gemessen wurde. Welche Rolle dabei lokal zu hohe C-Konzentrationen gespielt haben, wurde nicht untersucht. Es ist jedoch festzuhalten, dass besonders bei Verwendung von MDF-Platten zur Herstellung biogener Keramiken, Nachverdichtungen notwendig sind, wenn man hochwertige SiSiC- Keramiken mit hohen Festigkeiten und Steifigkeiten benötigt. Deshalb ist die Auswahl der Nachverdichtungen möglichst auf einen Zyklus zu beschränken, da jeder weitere Prozessschritt zu zusätzlichen Kosten führt und damit das Anwendungspotenzial bzgl. Kosteneffektivität weiter einschränkt. Die Effektivität der Nachimprägnierung könnte durch Druckimprägnierungen verbessert werden. Plattend icke grün [mm] Dichte [g/cm³] Grün Dichte [g/cm³] Carbon. Dichte [g/cm³] graphitiert Dichte [g/cm³] Nachimpräg. Dichte [g/cm³] Nachimpräg. Dichte [g/cm³] Nachimpräg. 0 bar 5 bar 20 bar 22 0,70 0,57 0,55 0,78 0,81 0, ,72 0,61 0,60 0,80 0,84 0,84 Tabelle 9: Einfluss des Imprägnierdrucks auf die Dichte biogener Kohlenstoffe auf MDF-Basis Die Vakuumdruckimprägnierung verbessert die Dichte der Carbonisate im Vergleich zur Imprägnierung ohne Druck (s. Tabelle 9), wobei bereits ein Imprägnierdruck von 5 bar völlig ausreichend ist. Dünnere MDF-Platten zeigen höhere Dichten (s. Tabelle 9). Allerdings ist die Dichtezunahme bei einer Zweifach-Imprägnierung deutlich besser (s. Tabelle 8) mit ca. 16 % I/ 51

53 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 52 von 115 Dichtezunahme zwischen Erst- und Zweitverdichtung, während die Dichtezunahme bei Druckerhöhung nur bei ca. 5 % liegt. Will man besonders gute mechanische SiSiC- Eigenschaften bei Verwendung von MDF-Platten erreichen, benötigt man auf jeden Fall zwei Nachverdichtungsschritte mittels Phenolharz, um eine ausreichend hohe C-Dichte vor der Silizierung zu erhalten. Dies hat auch den Vorteil, dass die benötigte Siliziummenge für die Konvertierungsreaktion reduziert wird und damit das Silizierrisiko deutlich gemindert wird. II.1.3 Silizierung biogener Strukturen II Einleitung Wie bereits erwähnt, verfügt SKT über eine breite Erfahrung unterschiedlichster Siliziertechniken auch für biogene Materialien. Eine prinzipielle Parameterstudie über die Eignung dieser Verfahren ist deshalb nicht notwendig. Seitens SKT werden industriell unterschiedlichste Verfahren genutzt, wie z. B.: 1. Kapillarsilizierung, eine Flüssigphasensilizierung über Dochte 2. Drucklose Imprägnierung durch Tauchen in eine Siliziumschmelze 3. Hochdruckimprägnierung durch Tauchen in eine Siliziumschmelze 4. Schlickersilizierung von z. B. Carbonisaten aus Papierstrukturen 5. CVI-SiC-Beschichtungen von z. B. Carbonisaten aus Papierstrukturen 6. Packsilizierung mit unterschiedlichen Zusammensetzungen Auf die einzelnen Verfahren wird selbstverständlich an dieser Stelle aus Know-How-Gründen nicht eingegangen. Im Rahmen dieses Projektes wurde seitens SKT nur das Kapillarsilizierverfahren eingesetzt, welches auch industriell im Bereich der SiC-Ingenieurkeramik für die Herstellung von SiSiC- Bauteilen standardmäßig genutzt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass einerseits SKT eine Anlage für die industrielle Fertigung und Nutzung besitzt, wobei die Verfahrensparameter in enger Kooperation mit dem Projektpartner FhG-IKTS in der Vergangenheit optimiert wurden. Andererseits verfügt die Schwesterfirma SIK (Schunk Ingenieurkeramik) über mehrere Großanlagen mit Nutzvolumina von 4 m³, so dass bei einer späteren Verwertung der Projektergebnisse auch eine kostengünstige und risikoärmere Umsetzung möglich ist. I/ 52

54 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 53 von 115 Neben einigen Verfahrensparametern besteht der wesentliche Unterschied der SKT- und der SIK-Anlagen darin, dass im Hause SKT bei allen Silizierverfahren Bornitrid nicht als Trennmittel benutzt werden darf, was erhebliche fertigungstechnische Vorteile hat. Auch sollten die biogenen Carbonisate möglichst graphitierungsgeglüht sein, um keinerlei unnötige Verunreinigung, z. B:durch Fremdatome, in die Anlage einzubringen. Diese Einschränkung gibt es bei der Schwestergesellschaft SIK nicht, weshalb vor allem bei der Entwicklung der Demonstratoren auf deren Anlage mit zugegriffen wurde. Die Verunreinigungen, Fremdatome, katalysieren normalerweise die Silizierung und erleichtern deshalb diesen Prozess, was bei SKT im Hause nicht genutzt werden durfte und konnte. Wie bereits im vorhergehenden Unterkapitel gezeigt, ist die Konvertierung in eine biogene SiSiC-Keramik seitens SKT kein Problem (vgl. Abb. 27, 28 und Abb. 24). Holzfaserplatten sind also problemlos silizierbar, wobei jedoch der Silizierfaktor stark von der Ausgangsdichte der Carbonisate abhängt. Wurden die Platten nur pyrolysiert und graphitiert, erhielt man bei MDF- Varianten Ausgangsdichten von 0,56 g/cm³ und damit sehr hohe Anteile an freiem Silizium: Vergleichbares wurde beim Partner FhG-IKTS getestet, wobei die MDF-Platte jedoch nur pyrolysiert wurde und eine Carbonisatdichte von 0,66 g/cm ermittelt wurde [7]. Dies führt nach der Reaktionssilizierung zu einem Si-reichen SiC-Gefüge (s. Abb. 29). Weiß - Si Grau - SiC Abbildung 29: Gefüge silizierter BioCarbon-Vorlagen auf MDF-Basis mit Ausgangsdichte 0,80 g/cm³ Bei HDF-Qualitäten erhält man ein wesentlich homogeneres Gefüge mit einem Gehalt an freiem Silizium von 13 % [7] (s. Abb. 30). I/ 53

55 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 54 von 115 Abbildung 30: Gefüge silicierter BioCarbon-Vorlagen auf HDF-Basis mit einer Carbonisatdichte von 0,84 g/cm³ [7] Durch die inhomogene Kohlenstoffdichteverteilung besitzen die silizierten HDF-Qualitäten noch Anteile an lokal verstreuten Kohlenstoffresten bis zu 20 % [7]. Dies stellt ein großes Problem dar, wenn bei modular aufgebauten Demonstratoren unterschiedliche Holzfaserplattenwerkstoffe, d. h. z. B. eine Kombination aus MDF- und HDF- Platten, benötigt werden. Dies wird nachfolgend noch gezeigt. Um Demonstratoren zu entwickeln, benötigt man bestimmte Designkonzepte. Diese werden bei modularer Bauweise Fügetechniken, Werkstoff- und Bauteilbearbeitungen und Gefügeund Eigenschaftsanalysen beinhalten, so dass die Arbeitspakete 4 bis 8 nicht klar voneinander zu trennen sind. I/ 54

56 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 55 von 115 II.1.4 Demonstratorentwicklung II Designvorgaben Abbildung 31: Designvorschläge für die Fertigung der Wärmetauscherdemonstratoren Seitens SKT lag der Schwerpunkt der Gesamtentwicklung im Nachweis der Machbarkeit und letztendlich der Funktionsfähigkeit eines Wärmetauschermoduls. Unabhängig davon wurde selbstverständlich auch an der Entwicklung des Demonstratorteils für die Verschleißkante seitens SKT mitgearbeitet, worauf später noch eingegangen wird. Die Designvorschläge (Abb. 31) für ein Querstromwärmetauschermodul, ob mit oder ohne Rippen, verdeutlichen bereits deren komplexe Bauweise. Bis heute gibt es wegen dieser Komplexität praktisch keine industrielle Fertigung solcher Wärmetauschermodule in Schlickertechnik. Für biogene Keramiken bedeutet dies, dass man zwar durch die Verwendung sehr dünnwandiger HDF-Platten einen guten Wärmetausch zwischen den Kreuzströmen erhalten kann, dass jedoch die Herstellung der Module sowohl eine Bearbeitung als auch Fügetechniken beinhaltet, wie das Herstellschema (Abb. 32) zeigt. I/ 55

57 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 56 von 115 MDF/HDF- Holzfaserplatte Möglichkeit der Formgebung durch Bearbeiten oder Fügen im Holzzustand Pyrolyse/Carbonisierung Graphitierung Poröse Kohlenstoffkörpervorlage Möglichkeit der Formgebung durch Bearbeiten oder Fügen im Kohlenstoffzustand Nachverdichtung Pyrolyse/Carbonisierung Erforderliche Dichte von 0,966 g/cm³ erreicht? Nein Ja Abschlussgraphitierung Poröse verdichtete Kohlenstoffkörpervorlage Möglichkeit der Formgebung durch Bearbeiten oder Fügen im verdichteten Zustand Kapillarsilicierung Wärmetauscher aus siliciuminfiltrierter Siliciumcarbidkeramik (SiSiC) Evtl. Endbearbeitung Abbildung 32: Prozessablauf zur Herstellung des Wärmetauschers aus einer biogenen SiSiC- Keramik Die Formgebung im Holzzustand (Abb. 32) erfordert die Entwicklung geeigneter, silizierbarer Fügungen und vor allem eine zerstörungsfreie Pyrolyse des Moduls mit anisotropem Schrumpfverhalten. Dies wäre die kostengünstigste Alternative, da auch die Bearbeitung der I/ 56

58 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 57 von 115 Holzfaserwerkstoffe deutlich günstiger und einfacher ist, als die Bearbeitung der hochempfindlichen Carbonisate. Die zweite Alternative stellt die Fügung im Carbonisatzustand dar, wobei diese Herstellroute den Vorteil besitzt, dass unterschiedliche Ausgangsqualitäten, d. h. MDF- und HDF- Platten durch Nachverdichten vor dem Fügen auf gleiche Dichten eingestellt werden könnten (Abb. 32) und damit der Kapillarsilizierprozess einfacher und die Endqualität besser wird. Abbildung 33: Herstellschema für SiSiC-Wärmetauschermodule aus nachverdichteten biogenen Carbonisaten Diese Herstellroute ist aber wesentlich aufwendiger (s. Abb. 33), da die gefügten, nachverdichteten Platten nochmals wegen des Klebstoffes carbonisiert werden müssen. Kostenmäßig stellt dieses Verfahren den teuersten Weg dar. Um generell abzuklären, ob eine Fügung im Holzzustand möglich ist, muss einerseits untersucht werden, welcher Kleber optimal geeignet ist, und andererseits, ob das gewählte industrielle Carbonisierungsverfahren eine schadensfreie Herstellung der komplexeren I/ 57

59 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 58 von 115 Carbonisate ermöglicht. Da all diese Punkte unklar waren, wurden mehrere Herstelltechniken parallel angegangen, werden aber nachfolgend sukzessive beschrieben. II Klebstoffscreening für Holzfaserplatten Die Klebstoffstudie wurde im Auftrag von SKT durchgeführt. Ziel der Studie war, sowohl einen geeigneten Klebstoff für die Holzfaserplatten als auch deren Carbonisate zu finden. Dies bedeutet, dass der Klebstoff auch carbonisiert noch genügend Festigkeit aufweisen muss. Ausgewählt wurden 5 kommerziell erhältliche Klebstoffe für Holzwerkstoffe, K1 - K5, welche sowohl für Fügung von MDF- mit MDF-Platten als auch Carbonisat- mit Carbonisatplatten eingesetzt wurden. Die MDF-Proben wurden mit einer Zwinge verpresst, was bei den Carbonisatproben aus Festigkeitsgründen nicht möglich war. Die Klebstoffe wurden teilweise durch Zusatz von Graphitpulver modifiziert. Für jede Variante wurden fünf Versuche durchgeführt. Die Qualität der Klebfuge wurde durch die Bestimmung der Querzugsfestigkeit der verklebten Proben nach DIN EN 319 nach der Carbonisierung bestimmt. Ebenso erfolgte eine Rohdichtebestimmung mittels Gammastrahlung, um den Einfluss der Verklebung auf die lokale Dichteverteilung zu ermitteln. Alle verklebten Proben zeigten im Klebefugenbereich Dichtezunahmen (s. Abb. 34 und 35). I/ 58

60 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 59 von 115 Rohdichteprofil der mit K1 verklebten BioCarbon-Proben Rohdichte (kg/m³) Dicke (mm) Abbildung 34: Rohdichteprofil der mit K1 verklebten BioCarbon Proben Der Dichteabfall direkt im Fügebereich an der Kontaktstelle (Abb. 34) ist eventuell dadurch zu erklären, dass die Kleberaufnahme der beiden zu fügenden Teile zu einer Verarmung an Klebstoff direkt an der Fügenaht geführt hat (s. Abb. 34). Wenn dieser Effekt nicht auftritt, beobachtet man eine Maximum der Rohdichte direkt an der Fügenaht (s. Abb. 35) I/ 59

61 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 60 von 115 Rohdichteprofil der mit K2 verklebten BioCarbon-Proben Rohdichte (kg/m³) Dicke (mm) Abbildung 35: Rohdichteprofil der mit K2 verklebten BioCarbon-Proben Das Dichtemaximum ist derart hoch, dass eine vollständige Konvertierung zu SiC im Fügenahtbereich nicht möglich ist. Bei der Beurteilung der Qualität der Fügung ist also auf folgende Kriterien zu achten: 1. Die Festigkeit muss auch nach der Carbonisierung ausreichend hoch sein, damit kein Riss entsteht. 2. Die maximale Rohdichte sollte im Fügebereich möglichst kleiner 1 g/cm 3 sein (wie in Abbildung 34). 3. Der Dichteunterschied bzw. der Fügespalt sollte möglichst eng sein, damit im Gefüge kein Unterschied zum Bulkmaterial zu erkennen ist. 4. Der carbonisierte Klebstoff im Fügebereich sollte gut in SiC konvertierbar sein. Ein erstes Ausschlusskriterium ist also die Querzugfestigkeit der verklebten und carbonisierten Proben (s. Tabelle 10). I/ 60

62 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 61 von 115 Anfangszustand der Proben Klebstoff Grafit QZF Bemerkungen N/mm² H1 MDF K1 ohne 1,052 Klebfuge intakt H2 MDF K2 ohne 1,411 Klebfuge intakt H3 MDF K3 ohne 0,265 Bruch der Klebfuge H4 MDF K4 ohne 1,254 Klebfuge intakt H5 MDF K5 ohne 1,514 Klebfuge intakt GH1 MDF K1 10% 1,504 Klebfuge intakt GH2 MDF K2 10% 1,06 Bruch der Klebfuge GH3 MDF K3 10% 0,405 Bruch der Klebfuge GH4 MDF K4 10% 1,406 Klebfuge intakt GH5 MDF K5 10% 1,524 Klebfuge intakt GGH4 MDF K4 20% 1,325 Klebfuge intakt GGH5 MDF K5 20% 1,527 Klebfuge intakt C2 BioCarbon K2 ohne keine Prüfung möglich C4 BioCarbon K4 ohne keine Prüfung möglich C5 BioCarbon K5 ohne keine Prüfung möglich GC2 BioCarbon K2 10% keine Prüfung möglich GC4 BioCarbon K4 10% keine Prüfung möglich GC5 BioCarbon K5 10% keine Prüfung möglich Tabelle 10: Qualität der Klebfugen / Querzugfestigkeiten der Proben Tabelle 10 zeigt, dass alle im Carbonisatzustand geklebten Proben (BioCarbon) mechanisch nicht geprüft werden konnten. Die dafür ausgewählten Kleber, K2, K4 und K5 waren nicht geeignet. Auch die Zugabe von 10 % Graphitpulver (Proben GC2, GC4 und GC5 in Tabelle 10) führte zu keinen brauchbaren Ergebnissen. Für die Klebung im Holzzustand dagegen sind alle 5 ausgewählten Klebstoffe geeignet, wobei jedoch bei der Bestimmung der Querzugfestigkeit angestrebt wird, dass die Klebfuge möglichst eine höhere Festigkeit, als das zu verklebende Material, besitzt. Ein Versagen in der Klebfuge sollte also nicht auftreten. Dies gilt für alle getesteten Kleber ohne Graphitzusatz mit Ausnahme der Variante K3 (s. Tab. 10). Bezogen auf alle Einzelmessungen die durchgeführt wurden, zeigte der Klebstoff K5 das beste Verhalten, besonders bei Zugabe von 10 % Graphitpulver bzw. 20 % Graphitpulver wurden die höchsten Festigkeitswerte, die geringste Streuung und vor allem keine Ausreißer, Versagen in der Klebfuge, beobachtet. Deshalb wurde gemeinsam mit dem Partner FhG-IKTS beschlossen, diesen Klebstoff K5, modifiziert mit 10 % oder 20 % Graphit für die Fügungen im Holzzustand einzusetzen. I/ 61

63 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 62 von 115 Für die Fügung im Carbonisatzustand war keiner dieser Klebstoffe geeignet, so dass ein weiteres Screening für die Carbonisate durchgeführt wurde. II Klebstoffscreening für biogene Carbonisate Wie in Abbildung 33 dargestellt, ist es vorteilhaft, nachimprägnierte biogene Carbonate zu nutzen, da dadurch eine bessere Qualität der biogenen Keramiken erreicht wird. Seitens SKT wurden vier verschiedene Klebstoffe getestet, welche in Tabelle 11 beschrieben sind. Verklebt wurden jeweils zwei nachverdichtete Carbonisatplatten auf MDF-Basis in den Abmessungen 50 x 50 x 11. Kleber Bestandteile C-Ausbeute KM1 68,35 % KM2 77,00 % Phenolharz- Klebefolie Synthetisches Elastomer 30,16 % Zuckerkleber Zuckersirup, Wasser, Holzmehl 26,75 % Tabelle 11: Klebstoffe für Fügungen im Carbonisatzustand Die vier aufgeführten Klebstoffvarianten sind prinzipiell für die Fügung der Carbonisate geeignet. Sie besitzen alle C-Ausbeuten, die höher als die der biogenen Materialien sind. Eine ausreichende Restfestigkeit ist also gewährleistet. Problematisch ist, wie stark sich die Dichte im Fügebereich durch den gewählten Kleber und die applizierte Menge verändert (s. Abb. 36). Beim Klebstoff KM1, einem Produkt von SKT, nimmt die Dichte im Fügespalt mit zunehmender Klebstoffmenge zu (s. Abb. 36). Probe 1 wurde mit m1 KM1 verklebt, Probe 2 mit m2 g und Probe 3 mit m3 g. Die homogene Dichteverteilung außerhalb des Fügespaltes ist auf das beidseitige Planschleifen der Fügeproben vor der Nachimprägnierung zurückzuführen, d. h. der Ausgangsproben (MDF-Platten). Die geringen Dichteerhöhungen sind noch tolerierbar, zumal durch die geringe Klebstoffmenge der Fügespalt auch sehr schmal ist. I/ 62

64 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 63 von 115 Rohdichte in g/cm³ 1,3 1,2 Rohdichteprofile der Fügeproben verklebt mit KM1 Probe 1 Probe 2 Probe 3 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,05 2,05 4,05 6,05 8,05 10,05 12,05 14,05 16,05 18,05 20,05 22,05 Messweg in mm Abbildung 36: Einfluss der Klebstoffmenge auf die Rohdichte des Carbonisats im Fügebereich nach der Carbonisierung Noch günstiger scheint der Klebstoff KM2 zu sein (s. Abb. 37). Rohdichte in g/cm³ Rohdichteprofile der Fügeteilproben verklebt mit KM2 1,1 1 Probe 1 Probe 2 Probe 3 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,05 2,05 4,05 6,05 8,05 10,05 12,05 14,05 16,05 18,05 20,05 22,05 Messweg in mm Abbildung 37: Rohdichteprofile im Fügespalt beim Verkleben von Carbonisatplatten mit KM2 I/ 63

65 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 64 von 115 Auch der Klebstoff KM2 ist ein kommerzielles Produkt von SKT. Auffallend ist der extrem breite Fügebereich, der bis zu jeweils 3 mm beträgt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Klebstoff KM 2 niedrigviskos ist und deshalb in die Carbonisate via Kapillarkräfte eindringt. Daher sind die Dichteerhöhungen im Fügebereich gering und prinzipiell, da kleiner 1 g/cm³, auch voll konvertierbar (s. Abb. 37). Durch das Eindringen in die Basisplatten ist die verbleibende Klebefuge auch sehr dünn und dies, obwohl Klebstoffmengen zwischen m1g KM 2 (Probe 1) und m2 g KM 2 (Probe 3) benötigt wurden. Die Dichteunterschiede der Basisplatten sind auf unterschiedliche MDF- Ausgangsplatten zurückzuführen (s. Abb. 37). Rohdichte in g/cm³ 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Rohdichteprofile der Fügeproben verklebt mit der Scotch-Weld-Elastomerfolie 0 0,05 2,05 4,05 6,05 8,05 10,05 12,05 14,05 16,05 18,05 20,05 22,05 Messweg in mm Probe 1 Probe 2 Probe 3 Abbildung 38: Einfluss der Phenolharzklebefolie auf die Dichte im Fügespalt biogener Carbonisate Erwartungsgemäß ist bei Verwendung einer Klebfolie (Abb. 38) der Fügespalt mit ca. 0,4 mm Dicke am kleinsten. Dies ist deshalb erwünscht, um möglichst keinen Unterschied zum Bulkmaterial im Gefüge und in den Eigenschaften zu erhalten. Nachteilig ist, dass bei Verwendung der Klebfolie kaum ein Eindringen in die Basisplatten möglich ist und dadurch die Dichteerhöhung im Fügespalt am höchsten ist (Abb. 38). Der Hauptnachteil besteht jedoch darin, dass man bei der Fügung einen definierten Druck applizieren muss, was bei den komplexen Bauteilen, die angestrebt sind, kaum realisierbar ist. I/ 64

66 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 65 von 115 Rohdichte in g/cm³ Rohdichteprofile der Fügeproben verklebt mit Zuckerkleber 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 Probe 1 Probe 2 Probe 3 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,05 2,05 4,05 6,05 8,05 10,05 12,05 14,05 16,05 18,05 20,05 22,05 Messweg in mm Abbildung 39: Rohdichteprofil im Fügespalt bei Verkleben der Carbonisate mit Zucker Der Zuckerkleber zeigt fast das gleiche Carbonisierungsverhalten wie die MDF-Platten, da er auch ein Naturprodukt ist. Da der Kleber dünnflüssig ist, dringt er auch in die Oberfläche der Carbonisatplatten ein, so dass im Bereich der Fügestelle eine moderate Dichteerhöhung zu beobachten ist (Abb. 39), die aber das Silizierverhalten der Platten selbst nicht nachteilig beeinflussen wird. Erstaunlicherweise beobachtet man im Fügespalt eine deutliche Rohdichteeabnahme (s. Abb. 39) von ca. 0,25 g/cm³. Diese Abnahme der Rohdichte ist auf Porenbildungen in der Fügenaht zurückzuführen, da der Zuckerkleber leicht in die Platten eindringt, die Oberflächengüte der Platten aber nicht optimal ist und gleichzeitig die C- Ausbeute im Vergleich zu allen anderen Klebern am geringsten ist. Daraus folgt, dass beim Silizieren dann in der Fügenaht Si-reiche Bereiche auftreten müssten. II Einfluss der Klebtechnik auf die Silizierbarkeit der Fügestellen Nachfolgend wird ein kurzer Überblick über die Silizierbarkeit und die Probleme bei verschiedenen Klebstoffen gegeben. Wie schon erwähnt, waren bei Fügungen im Holzzustand fast alle Klebstoffe geeignet. Letztendlich wurde deshalb in Absprache mit dem Projektpartner FhG-IKTS beschlossen, den I/ 65

67 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 66 von 115 Klebstoff K5 modifiziert mit 10 % oder 20 % Graphitpulver einzusetzen, da dieser die höchsten Festigkeitswerte im carbonisierten Zustand ermöglichte. Einen Gesamtüberblick der Silizierbarkeit von im Holzzustand gefügten Varianten, findet man im Abschlussbericht des Projektpartners [7] (s. Abb. 40). Abbildung 40: Typische Fügezonen silicierter Verbunde geklebt im Holzzustand; Schliffpräparation, Vergrößerung 25x (links) und 100x (rechts); weiß Si; hellgrau SiC; dunkelgrau Restkohlenstoff bzw. Tränkharz; schwarz - Pore I/ 66

68 BMBF- Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau Abschlussbericht-01RB0703A Seite 67 von 115 Man erkennt deutlich, dass die Klebstofftype K3 am wenigsten geeignet ist, da im Fügespalt hohe Kohlenstoffrückstände und auch Poren (s. Abb. 40, [7]), verbleiben. Auch die Klebstofftype K 1 ist im Fügespalt nicht voll silizierbar (s. Abb. 40). Seitens SKT wurde dann schwerpunktmäßig mit dem Klebstoff K5 gearbeitet. Schliff-Nr.: 10/ mm V = 25 : µm Schliff-Nr.: 10/ µm 500 µm Schliff-Nr.: 10/441.7 V = 50 : 1 Abbildung 41: Microstruktur der Fügestelle Von MDF-Platten gefügt im Holzzustand Mit K 5 (10 % Graphit) unter Presskraft F1 nach Silizierung V = 50 : 1 Schliff-Nr.: 10/441.9 V = 100 : 1 Abbildung 42: Mikrostruktur der Fügestelle der MDF-Platten, gefügt mit K5 (10 % Graphit) mit Presskraft doppelte F1 nach Silizierung Der Fügespalt beträgt ca. 200 bis 300 µm und ist nach der Silizierung noch gut zu erkennen (Abb. 41 und 42). Bei höherem Druck beim Fügen (Abb. 42) verbreitert sich der Bereich, so dass die Mikrostruktur nicht den reinen Fügespalt, sondern den Fügebereich zeigt. Die Konvertierung in SiC ist im Fügebereich geringfügig besser als im Bulkbereich der Platten (Abb. 41 und 42), so dass die Fügestellen auf keinen Fall einen Schwachpunkt bzgl. der mechanischen Eigenschaften darstellen. Allerdings sind auch noch freies Silizium und I/ 67

69 BMBF- Biomimetisch geprägte Hochleistungskeramiken für den Anlagenbau Abschlussbericht-01RB0703A Seite 68 von 115 Kohlenstoffreste im Fügebereich beobachtbar (Abb. 41 und 42). Die Verwendung höherer Fügekräfte im Holzzustand (doppelte Presskraft) ist nicht nötig. Daher wird in der folgenden Darstellung auf diese Variante verzichtet, sondern nur der Einfluss des Additivs gezeigt (s. Abb. 43). Schliff-Nr.: 10/ µm V = 100 : 1 Schliff-Nr.: 10/ mm V = 25 : 1 Abbildung 43: Microstruktur der Fügestelle silizierter MDF-Platten gefügt im Holzzustand mit K5 + Ruß bei Presskraft F1 Im Vergleich zu den Abbildungen 41 und42 erkennt man die geringere Dicke des Fügespaltes (Fügebereich) mit 50 bis max. 100 µm (s. Abb. 43). Freies Silizium ist im Fügespalt nicht mehr vorhanden, so dass ein deutlicher Unterschied zu vorhergehenden Fügungen zu beobachten ist (Abb. 43). Dies liegt vor allem auch daran, dass das Additiv Ruß sehr gut in SiC konvertierbar ist. Allerdings verbleibt auch noch freier Kohlenstoff in der Fügestelle. Eine exakte Analyse auf Poren wurde nicht durchgeführt, wäre aber mittels µ CT-Aufnahme möglich. Abschließend kann festgehalten werden, dass der Klebstoff K5 mit Füller sehr gut für Fügungen im Holzzustand geeignet ist. Leider wurde nicht untersucht, ob auch eine deutliche Reduzierung der Presskraft beim Fügen zu den gleichen, guten Ergebnissen führt. Vergleichbare Untersuchungen wurden auch beim Fügen im Carbonisatzustand durchgeführt, wobei zuerst einmal als Übersicht die Ergebnisse des IKTS gezeigt wurden (s. Abb. 44, [7]). I/ 68

70 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 69 von 115 Abbildung 44: Typische Fügezonen silicierter Verbunde geklebt im Carbonzustand mit KM 1 und C-dotiertem KM 1 Zusätze von Graphit, Ruß oder Flachsfaser pyolysiert; Schliffpräparation; Vergrößerung 25 x und 100 x weiß - Si; hellgrau - SiC; dunkelgrau - Restkohl [7] Die Fügung mit unterschiedlichen Additiven führt immer auch zu Poren und verbleibenden C- Anteilen, so dass die Fügungen im Carbonisatzustand schwieriger sind, als im Holzzustand (s. Abb. 44). Dies bestätigten auch alle Fügeversuche bei SKT, wie nachfolgend gezeigt. I/ 69

71 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 70 von 115 Abbildung 45: Silizierte Fügestelle von nachverdichteten Carbonisatplatten gefügt mit KM 1 (links 7 mm Platten, rechts 11 mm Platten Die Fügung mit dem KM 1 - Klebstoff führte bei beiden Plattenvarianten zu einer Fügenaht, die nahezu porenfrei war (s. Abb. 45). Für die Beurteilung wurden Platten in den Abmessungen 200 x 260 mm² herangezogen. Deshalb gibt es über die gesamte Fügefläche unterschiedlichste Mikrostrukturen (s. Abb. 45). Einerseits sehr geringe freie Kohlenstoffanteile (Abb. 45, links unten ), oder aber auch Bereiche mit sehr hohem freien Siliziumanteil (Abb. 45, rechts unten). Der hohe Anteil an freiem Silizium ist ein Indiz für einen Spalt nach der Fügung mit KM 1, der durch die Oberflächenbearbeitung vor dem Fügen oder aber auch einen lokal zu geringen Klebstoffauftrag bedingt sein könnte. Solche Stellen sind in Abb. 46 beim Verkleben der 7 mm dicken Carbonisatplatten aufgetreten. I/ 70

72 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 71 von 115 Abbildung 46: Silizierte Fügestellen von nachverdichteten Carbonisatplatten gefügt mit KM 2 (links 7 mm Platten, rechts 11 mm Platten) Bei korrektem Klebstoffauftrag erhält man bei Nutzung des Klebstoffs KM 2 die besten Ergebnisse bezüglich der Mikrostruktur nach dem Silizieren (s. Abb. 46). Die Fügestelle ist teilweise gar nicht mehr erkennbar (Abb. 46, rechts oben) bzw. nur durch dünne Si-reiche Adern mit Dicken kleiner 50 µm gekennzeichnet (Abb. 46, rechts unten). Sowohl beim Fügen mit Phenolharzfolie (s. Abb. 47) als auch bei Verwendung des Zuckerklebers (Abb.48) treten sehr oft Spalte oder nicht konvertierte Bereiche in der Fügung auf. I/ 71

73 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 72 von 115 Abbildung 47: Silizierte Fügestellen von nachverdichteten Carbonisatplatten gefügt mit Phenolharz-Klebefolie (rechts 7 mm Platten, links 11 mm Platten) Abbildung 48: Silizierte Fügestellen von nachverdichteten Carbonisatplatten gefügt mit Zuckerkleber (links 7 mm Platten, rechts 11 mm Platten) I/ 72

74 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 73 von 115 Die Phenolharzfolie zeigt zwar im Carbonisat bzgl. der Rohdichte den kleinsten Fügespalt, allerdings mit der höchsten Dichte (s. Abb. 38). Dies führt dazu, dass an diesen Stellen der Kohlenstoff oft vollständig erhalten bleibt (s. Abb. 47, links) sich jedoch an der Grenzfläche zum Bulkmaterial eine nahezu dichte SiC-Diffusionssperre bildet, die als dunkelgrauer Saum zu erkennen ist (Abb. 47). Der Zuckerkleber ist zwar gut konvertierbar, siehe Mikrostruktur in Abbildung 48, links unten, wird jedoch lokal unterschiedlich so stark vom Carbonisat aufgesaugt, so dass die bei dem Rohdichteprofil (s. Abb. 39) beobachteten Spalte entstehen. Diese werden dann entweder mit freiem Silizium gefüllt (Abb. 48, links oben) oder bleiben als Spalte und damit Risse in der Fügestelle erhalten (s. Abb. 48, rechts), wobei die Basisplatten in diesem Bereich fast vollständig in SiC umgewandelt werden. Die Mikrostrukturuntersuchungen beweisen, dass die Fügung im Carbonisatzustand wesentlich schwieriger ist und die gefügten Bauteile nach der Silizierung an den Fügestellen starke Inhomogenitäten aufweisen können (s. Abb. 47 und 48). Dies gilt eingeschränkt auch für die Klebstoffe KM 1 und KM 2 (s. Abb ). Die besten qualitativen Ergebnisse erhält man bei Verwendung des Klebers KM 2. Da jedoch die Fügung im Holzzustand einfacher und letztendlich auch kosteneffektiver ist, sollten die komplexeren Demonstratorbauteile eher über diese Route gefertigt werden. Die Vorgehensweise und die Probleme, die dabei auftraten, werden nachfolgend beschrieben. II Fügeversuche von Teilkomponenten im Holzzustand - Vorversuche Da für SKT die Schwerpunkte bei der Entwicklung der Module für die Wärmetauscher lagen, wurde die Entwicklung dieser komplexen Strukturen parallel sowohl über das Fügen im Holzzustand als auch das Fügen der Carbonisate angegangen. Das Fügen im Holzzustand ist die kostengünstigere und damit bei späteren Verwertung die kosteneffizientere Methode. Ausgangspunkt der Vorversuche waren die Erkenntnisse aus den Carbonisierungsversuchen, dass der Standardprozess von SKT bis 1100 C geeignet ist. Außerdem lagen noch keine Ergebnisse des Klebstoffscreenings vor, so dass für das Fügen im Rahmen der Vorversuche Holzleim verwendet wurde. Die Vorversuche hatten gezeigt, dass nach Carbonisierung und Silizierung eine relativ gleichmäßige Mikrostruktur im I/ 73

75 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 74 von 115 Fügenahtbereich resultiert (S. Abb. 40), wobei die Fügenaht sehr dünn, aber noch kohlenstoffhaltig ist. In einem ersten Vorversuch wurde geprüft, welche Belastung erforderlich ist, um zwei Platten in den Abmessungen 100 x 100 x 12 mm³ ohne Riss in der Fügestelle carbonisieren zu können. Bei den Carbonisierungsoptimierungen hatte sich gezeigt, dass bei Einzelplattencarbonisierung mit definierter Last die beste Ebenheit erzielbar ist. Dies scheint auch bei Fügungen von Platten erforderlich zu sein, wie Abbildung 49 beweist. Fügemodell A nach Carbonisierung Fügemodell A nach Carbonisierung (beschwert) (unbeschwert) Abbildung 49: Einfluss der Belastung auf Rissbildungen in der Fügenaht bei der Carbonisierung Basierend auf diesem Ergebnis sollte das Carbonisierungsverhalten eines Einkanalmoduls eines Wärmetauschers untersucht werden. Das einfache Modul (s. Abb. 50), bestand aus 2 MDF-Deckplatten in den Abmessungen 100 x 100 x 12 mm³ und zwei Seitenstegen aus MDF in den Abmessungen 100 x 12 x 12 mm³. Abbildung 50: Fügemodell B mit Leisten (links: Vorderansicht, rechts: Seitenansicht) Die Carbonisierung wurde mit und ohne Belastung durchgeführt, da erwartet wurde, dass durch die Verwendung der schmalen Seitenstege auch ohne Belastung rissfrei carbonisiert werden könnte. I/ 74

76 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 75 von 115 Abbildung 51: Einfluss der Belastung bei der Carbonisierung des Einkanalmoduls gefügt im Holzzustand, links unbelastet, rechts belastet Abbildung 51 zeigt zwar, dass die Carbonisierung ohne Belastung ein rissfreies Carbonisatmodul ergibt, während bei Belastung, wo keine Probleme erwartet wurden (s. Abb. 51), neben der extremen Deformation des Kanals sogar Risse direkt an der Fügestelle (roter Kreis) auftreten. Die schematische Darstellung in Abbildung 52 quantifiziert diese Deformationen nochmals. Abbildung 52: Abmessungen und Verformungen des Einkanalmoduls nach der Carbonisierung, links unbeschwert, rechts beschwert Bei Carbonisierung ohne Last bleibt die obere Deckplatte oben und die untere Platte wölbt sich, was zu einer Reduzierung der Kanalhöhe von 7 mm auf 4 mm führt (Abb. 52). Die Verformung der unteren Platte beträgt 2 mm und ist im Vergleich zur Plattendicke sehr hoch. Die Druckbelastung (Abb. 52, rechts) führte zu einer noch stärkeren Verformung der Deckplatte (3 mm), wodurch der verbleibende Kanalquerschnitt auf 2 mm reduziert wird und sich Risse in der Fügenaht gebildet haben. Aus den Ergebnissen wurde geschlossen, dass eine starke Absteifung, d. h. höhere Verrippung dieses Problem löst, was mit dem Modell C auch bewiesen werden konnte (s. Abb. 53). I/ 75

77 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 76 von 115 Abbildung 53: Fügemodul C vor und nach Carbonisierung Die Carbonisierung erfolgte ohne Last und die Abmessungen wurden mit 100 x 100 x 12 mm³ für Basis- und Deckplatte auch beibehalten. Optisch erkennbare Risse, Verformungen und andere Deformationen waren nicht erkennbar, so dass die zusätzliche Absteifung durch Längsstege erfolgreich war. Ein weiterer Vorversuch sollte zeigen, ob die Kanäle durch eine Holzbearbeitung eingebracht werden können, da dies ein weiterer Vorteil bezüglich der kosteneffizienten Herstellung von modular aufgebauten Wärmetauschern auf biogener Basis darstellen würde. Der größte Vorteil liegt darin, dass die Anzahl der Kanäle beliebig modifizierbar wäre, so dass zum Beispiel bei Kreuzstromwärmetauschern unterschiedliche Kanäle bezüglich Größe und Anzahl, bedarfsgerecht, d. h. gezielt, in Bezug auf die geplante Wärmeübertragung einbringbar sind. Eine Positionierung und zusätzliche Verklebung der Einzelstege würde entfallen und es können MDF-Platten benutzt werden, so dass bei gleichen Chargen ein identisches Schrumpfverhalten resultiert. Allerdings unterscheiden sich die Plattendicken, wenn nur eine Ebene im Modellfall realisiert werden soll, da man die zusätzliche Dicke für das Einfräsen der Kanäle für die Deckplatte nicht braucht. Die Ausgangsmaße betrugen 185 x 200 x 22 mm³ bzw. 185 x 200 x 12 mm³ (Deckplatte). Abbildung 54 zeigt das Modell und das Carbonisat. Abbildung 54: Upscalingversuch einer Ebene bzgl. Kanalanzahl und Abmessung I/ 76

78 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 77 von 115 Die Fügung im Holzzustand war problemlos möglich. Nach der Standardcarbonisierung ohne Last war keine Unebenheit oder Verengung der Kanäle erkennbar. Die beobachteten Delaminationen der Stege zur Basisplatte (Abb. 54) können sowohl durch Spannungsrisse beim Schrumpfen als auch durch den Schneiddruck beim Bearbeiten verursacht sein. Die Delaminationen selbst würden beim späteren Wärmetauscher keinen Nachteil darstellen. Kritischer ist die Rissbildung an der Fügenaht (Abb. 54), die in Bezug auf die Anwendung nicht tolerierbar wäre. Ob es sich dabei um einen Präparationsfehler bei der Fügung handelt, war nicht zu klären. Einen weiteren Schritt Richtung Demonstrator stellt ein mehrlagiges Modul dar. Deshalb wurde ein erstes Muster in den Versuchsreihen hergestellt. Basierend auf der Abstufung über die gefrästen Stege wurde vorausgesetzt, dass eine Lastaufgabe die Rissbildung an der Fügenaht bzw. die Delaminationen im Fräsgrund behindern könnte. Die Ergebnisse des Versuchs zeigt Abb. 55. Abbildung 55: Carbonisierung eines mehrlagigen, gefrästen Moduls unter Last Die Lastaufgabe führte bei der Carbonisierung sogar zur Zerstörung einzelner Stege, so dass beschlossen wurde, erste Demonstratoren aus Carbonisaten zu entwickeln. II.1.5 Demonstratorentwicklung (AP 7)) Wie eingangs erwähnt, erfordert dieses Arbeitspaket die Nutzung der Erkenntnisse aus allen voran beschriebenen Arbeitspaketen. I/ 77

79 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 78 von 115 Mögliche Designvarianten sind in Abbildung 31 dargestellt. Um ein möglichst einfaches Konzept zu nutzen, wurde versucht, einen Wärmetauscherdemonstrator ohne Zwischenstege zu realisieren, um möglichst wenige, potentielle Schwachstellen zu haben. Ein erster Demonstrator wurde im Holzzustand geklebt, wobei alle Einzelteile aus MDF-Platten hergestellt wurden. Die Deckplatten und Leisten waren 12 mm dick, die Zwischenplatten 5 mm (s. Abb. 56). Abbildung 56: Wärmetauscherdemonstrator gefügt aus MDF-Teilen Die Carbonisierung erfolgte nach Standardprozessen ohne Belastung. Abbildung 57: Carbonisierter Demonstrator gefügt aus MDF-Platten im Holzzustand I/ 78

80 Abschlussbericht-01RB0703A Seite 79 von 115 Das Modell war nach der Carbonisierung weitestgehend unbeschädigt (s. Abb. 57). Lediglich die untere und obere Deckplatte haben sich noch gewölbt, was zu dem Riss in der Klebenaht führte. Durch die Deformation kam es auch zu Verformungen der Kanalgeometrie, was besonders stark im Bereich der unteren Deckplatte ausgeprägt war. Im Vergleich zu diesem Design wurde ein erster Demonstrator im Carbonisatzustand gefügt. Die Deckplatten waren 7,2 mm dicke, nachverdichtete MDF-Carbonisate. Die Leisten bestanden aus dem gleichen Material in 7 mm Dicke und als Zwischenplatten wurden 3 mm dicke HDF-Platten, carbonisiert, benutzt. Die Dichten aller Carbonisate lagen zwischen 0,90 g/cm³ und 0,91 g/cm³, waren also identisch. Abbildung 58: Fügung eines Wärmetauschermoduls im Carbonisatzustand mit Zuckerkleber Links: Bauskizze rechts: nach Aushärtung des Zuckerklebers Die Verklebung war durch die Viskosität der Zuckervariante sehr schwierig, so dass es zu leichten Ungenauigkeiten kam (s. Abb. 58 rechts oben). Nach dem Härten waren alle Fügestellen aber rissfrei, wobei sich jedoch bei der notwendigen Zwischencarbonisierung des Klebers 7 Klebeverbindungen lösten, so dass weitere Fügerversuche nur noch mit dem KM1 Kleber erfolgten. Nach der lastfreien Carbonisierung des mit KM 1 gefügten Moduls waren alle Klebstellen intakt, allerdings entstanden an einigen Fügestellen kleine, nicht durchgängige Spalten, vergleichbar zu beginnenden Rissbildungen. Um erste Erfahrungen bei der Silizierung dieser komplexen Teile zu gewinnen, wurde der Demonstrator siliziert. Die Si-Aufnahme betrug 230 %. Die vor der Silizierung beobachtete geringe Schädigung führte zum Versagen einer Fügenaht, wie Abb. 59 zeigt. I/ 79