Oxide Ceramic Matrix Composite. Innovativer Faserverbundwerkstoff für Hochtemperaturanwendungen

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1 Oxide Ceramic Matrix Composite Innovativer Faserverbundwerkstoff für Hochtemperaturanwendungen

2 Material Grundlagen - Oxidfaserverstärkte Oxidkeramik, OCMC; Oxide Ceramic Matrix Composite - verschiedene Oxidfaser Gewebe aus Endlosfasern - Bindesysteme basierend auf Al 2 O 3, Mullit, SiO 2 und ZrO 2 - Pulver aus Al 2 O 3, SiO 2 Die Herstellung der Bauteile aus OCMC erfolgt durch spezielle Laminiertechniken

3 Zusammenwirken der Komponenten in einem OCMC Al 2 O 3 max. Biegespannung [MPa] OCMC ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Dehnung [%] Realisierung eines schadenstoleranten Werkstoffs durch optimales Zusammenwirken von Faser und Matrix

4 Je nach Anforderung und Kundenwunsch stehen unterschiedliche OCMC s für optimale Lösungen zur Verfügung: 1. Typ SvM 1514N Temperaturbereich bis 900 C (Dauerbelastung) 2. Typ MvM1415N Temperaturbereich bis 1100 C (Dauerbelastung) 3. Typ AvM1415N Temperaturbereich bis 1300 C (Dauerbelastung) Besondere Hochleistungsverbundkeramiken, Entwicklungen für spezielle Anwendungen 4. Typ FW12, FW30 Gewebe aus Al 2 0 3, mit teilstabilisierter ZrO 2 Matrix Wichtige Eigenschaften der Bauteile aus OCMC s: Hervorragende Thermoschockbeständigkeit sehr gute Schadenstoleranz bedingt durch das keramische Verbundmaterial hohe thermomechanische Stabilität unempfindlich gegenüber Korrosion (Metal dusting) in oxidischen Atmosphären Leichtbauweise von Bauteilen durch dünnwandige Ausführungen möglich

5 Einsatz von OCMC s Oxid Ceramic Matrix Composite Atmosphäre oxidierend (Luft, O 2 ) Temperatur bis 900 C bis 1100 C bis 1200 C bis 1300 C mechanische Belastung gering mittel hoch sehr hoch gering mittel hoch sehr hoch mittel hoch sehr hoch gering mittel hoch Composite Bezeichnung SvM1514N MvM1415N MvM2220 AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW FW MvM1415N MvM2220 AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW FW AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW FW AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW FW

6 Einsatz von OCMC s Oxid Ceramic Matrix Composite Atmosphäre reduzierend (H 2, H 2 /N 2,CO) Temperatur bis 1100 C bis 1200 C bis 1300 C mechanische Belastung sehr hoch hoch sehr hoch mittel hoch Composite Bezeichnung FW FW FW FW FW FW

7 Datentabelle OCMC s auf Basis von Silica / Mullit - Geweben Komposite Typ SvM1514N MvM1415N MvM2220 Faser (Gewebe) Silica Nitivy Nitivy Matrix 5% Al 2 O 3 / 95% SiO 2 70% Al 2 O 3 / 30% SiO 2 70% Al 2 O 3 / 30% SiO 2 Biegefestigkeit bei RT [MPa] E-Modul Biegung [MPa] Zugfestigkeit [MPa] E-Modul Zug [MPa] Druckfestigkeit [MPa] E-Modul Druck [MPa] Scherfestigkeit (ILSS) [MPa] Wärmedehnung [10-6 1/K] Wärmeleitfähigkeit [W/mK] < 1 < 1,5 < 1,5 Daueranwendungstemperatur [ C] ohne mechanische Last Daueranwendungstemperatur [ C] mit mechanischer Last < 950 < 1150 < 1150 < 900 < 1100 < 1100

8 Datentabelle OCMC s auf Basis von Nextel 610 Komposite Typ AvM1415N AvM1415N-3000 FW12 FW30 AvA-Z-ISC Faser (Gewebe) Nextel 610/1500 denier Nextel 610/3000 denier Nextel 610/1500 denier Nextel 610/3000 denier Nextel 610/1500 denier Matrix 70% Al 2 O 3 /30% SiO 2 70% Al 2 O 3 /30% SiO 2 85% Al 2 O 3 / 15% 3YSZ 85% Al 2 O 3 / 15% 3YSZ 93% Al 2 O 3 / 7% 8YSZ Biegefestigkeit [MPa] (2) (2) 273 (5) (1) E-Modul Biegung [MPa] 78 (2) (2) 85 (5) Zugfestigkeit [MPa] (2), (3) 133 (2) 153 (5) 80 (3) E-Modul Zug [MPa] 78 (2) 93 (2) 74 (5) Druckfestigkeit [MPa] 62 (2) 207 (2) 216 (5) E-Modul Druck [MPa] 93 (2) 123 (2) 70 (5) Scherfestigkeit (ILSS) [MPa] 10,5 (2) 17 (2) 17 (5) Wärmedehnung [10-6 1/K] C C C C 6,94 (1) 7,69 8,17 8,49 6,94 (1) 7,69 8,17 8,49 6,80 (1) 7,60 8,09 8,40 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 300 C 600 C 900 C 1100 C 2,44 (4) 1,89 1,63 1,52 2,44 (4) 1,89 1,63 1,52 3,80 (1) 2,81 2,30 2,02 3,80 (1) 2,81 2,30 2,02 1,34 (1) 1,02 0,87 0,81 Gemessen durch FhG-ISC (1), FhG-IWM (2), Universität Bremen, Advanced Ceramics (3), TU Freiberg (4), Berner Fachhochschule TI (5)

9 Einfache Bauteile aus OCMC - Platten - Rohre - Profile Oxid Ceramic Matrix Composite ersetzten thermisch hochbelastete Bauteile aus Metall und SiC

10 OCMC Anwendung Brennertechnik: Brennerrohre Flammrohr Metall aus neu Flammrohr Metall aus nach 1000 h Flammrohr Keramikblech Flammrohr Keramikblech nach h im Einsatz Einsatzort: Knäckebrotbackstraße, die Lebenszeit von Metall beträgt lediglich 1000 Stunden! Die Lösung: Ein Flammrohr aus OCMC ist seit mehr als Stunden im Einsatz Vorteile der Flammrohre aus OCMC - thermoschockbeständig - temperaturbeständig - schadenstolerant - dünnwandig - langlebig - korrosionsbeständig

11 OCMC Anwendung Brennertechnik: Brennerrohre, Verteiler, Brennerspitzen

12 OCMC Anwendung Aluminiumgießerei: Rohre, Gießrinnen, Feeder-Boxen

13 OCMC Anwendung: Keramische Heißgasklappen 320x215 mm 470x280 mm 450x450 mm freie Wahl der Geometrie bei Heißgas - Drosselklappen! Der maximal mögliche Durchmesser beträgt zur Zeit 710mm. Die Heißgasklappen wurde zusammen mit Process-Ceramics entwickelt. Integration und Vertrieb erfolgt durch: 130x130 mm Process-Ceramics, In der Trift 16, Höhr-Grenzhausen Tel: +49 (2624) , Fax:+49 (2624) , Internet:

14 Heißgasklappen aus OCMC, zum Beispiel zur Steuerung von thermischen Nachverbrennungen Heißgasklappe DN450 isoliert und integriert Gehäuse DN 900. Entwickelt von ProcessCeramics Heißgasklappe 130x130 Komponenten aus OCMC: Klappenblatt, Gehäuse mit Anschlag. Die Achse besteht aus SiC

15 OCMC Anwendung Ofenbau: Ofentürisolierung Die Isolierung wird durch eine 2- geteilte Verkleidung aus OCMC in Form gehalten, kein Faseraustritt ist möglich!

16 OCMC Anwendung Ofenbau: Heizwendelschutz Rohrofen mit Heizwendelschutz Heizwendelschutz aus OCMC für Rohrofen

17 OCMC Anwendung Ofenbau: Schutzhaube Schutzhaube aus OCMC AvM1514N-3000 für Schmelzprozesse Kein Faseraustritt und keine Verunreinigungen der Schmelze durch z. Beispiel herabfallende Teile aus der Isolierung treten beim Einsatz einer Schutzhaube aus OCMC auf!

18 OCMC Anwendung Ofenbau: Hubtor / Zonentrenner 860 mm Das Hubtor wird in einer Sintermetallanlage eingesetzt. In dem Sinterofen mit H 2 / N 2 Atmosphäre herrschen Temperaturen von 1300 C. Das Hubtor hat nach Einbau 2007 ca. eine Million Öffnungs- und Schließzyklen durchlaufen!

19 Entwicklungsziele und Visionen aus Oxide Ceramic Matrix Composite Heißgas-Radial-Ventilator, D=200mm. Testversuche in einem Kammerofen bei 1100 C und 1000 U/min waren erfolgreich. Studie eines Flügels für eine neue Generation von Gasturbinenschaufeln.

20 Zusammenfassung Oxide Ceramic Matrix Composite OCMC s eignen sich für viele Hochtemperaturanwendungen und ersetzen thermisch hoch belastete Metall / SiC Bauteile - Brennerrohre - Aluminiumgießerei, Gießrinnen - Heißgasklappen - Ofentürisolierungen - Heizwendelschutz - Schutzrohre / Schutzhauben - Zonentrenner / Hubtore Alle Bauteile können nach Kundenwunsch gefertigt werden! Die wichtigsten Eigenschaften von OCMC s - thermoschockbeständig - schadenstolerant - oxidationsbeständig - dünnwandig - temperaturbeständig - leicht