TechnologiePark Mittweida, Sitz der Fa. M&T Verbundtechnologie GmbH

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Fabian Kerner
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2 M&T TechnologiePark Mittweida, Sitz der Fa. M&T Verbundtechnologie GmbH

3 Konstruktionswerkstoff Keramik Hochtemperaturbeständigkeit Verschleißbeständigkeit Oxydationsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Fibre Coating and CMC-Components Monolytische MonolytischeKeramik Sprödbruchverhalten hohe Wandstärken kleinflächige Strukturen einfache Strukturen nicht Stoßbelastbar intensives Splitterverhalten Faserkeramik Faserkeramik kein Sprödbruchverhalten dünne Wandstärken großflächige Strukturen komplexe Strukturen Stoßbelastbar geringes Splitterverhalten

Rißverzweigung Umwandlung von Rißenergie in Wärme

4 Rißwachstum unkontrolliert kontrolliert Verhinderung unkontrollierten Rißwachstums: bewußt initiierte Rißverzweigung Umwandlung von Rißenergie in Wärme Überbrückung der Rißufer durch stabile Werkstoffbestandteile Realisierung: beschichtete Fasern

Idealisierte Idealisierte Darstellung Darstellung des des Rißverlaufs Rißverlaufsin in einer einer faserverstärkten faserverstärkten Keramik Keramik unter unter Berücksichtigung Berücksichtigung

5 Idealisierte Idealisierte Darstellung Darstellung des des Rißverlaufs Rißverlaufsin in einer einer faserverstärkten faserverstärkten Keramik Keramik unter unter Berücksichtigung Berücksichtigung der der dabei dabei prinzipiell prinzipiell auftretenden auftretenden Möglichkeiten Möglichkeiten des des Verhaltens Verhaltens der der Grenzfläche Grenzfläche von von Faser Faser und und Matrix Matrix

6 Faserbeschichtung Funktion der abgeschiedenen Schichten Schwache Einbindung der Fasern in die Matrix Diffusionsbarriere für Faserund Matrixbestandteile - Parallel - Parallel zur zur Faseroberfläche Faseroberfläche orientierte orientierte Spaltbarkeit Spaltbarkeit innerhalb innerhalb der der Grenzschicht Grenzschicht - Hohe - Hohe Porosität Porosität - Schwache - Schwache chemische chemische Bindung Bindung zwischen zwischen Grenzschicht Grenzschicht und und Matrix Matrix - Abgeschiedene - Abgeschiedene Schicht Schicht vollständig vollständig geschlossen geschlossen - Einzelne - Einzelne Bestandteile Bestandteile nicht nicht ineinander ineinander lösen lösen - Keine - Keine neuen neuen Phasen Phasen bilden, bilden, die die zum zum Abbau Abbau der der Schichten Schichten führen führen

7 Bruchverhalten faserverstärkter Keramik Fasern unbeschichtet Fasern beschichtet 350 Spannungs-Dehnungs-Diagramm Biegespannung [MPa] Verbundkeramik mit pyro C beschichteten Fasern Verbundkeramik mit unbeschichteten Fasern Durchbiegung [mm]

8 CVD Verfahren zur Faserbeschichtung Beschichtungsreaktor Beschichtete Faser Beschichtungsanlage mit je vier Beschichtungsreaktoren Beschichtetes Gewebe

9 Wichtige Vertreter langfaserverstärkter, nicht oxydischer Keramik: C/C kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff C/C SiC kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff mit SiC- Anteilen C/SiC kohlenstofffaserverstärktes SiC SiC/SiC SiC- faserverstärktes SiC

10 Herstellung keramischer Verbundwerkstoffe 1. Aufbau von Fasergerüsten (Preformen) Fibre Coating and CMC-Components Ablegen, Weben z.t. dreidimensional, Wickeln, Vernähen, Sticken, Laminieren - mit anschließender Pyrolyse 2. Einbringung der keramischen Bettungsmassen Technisch realisierbare Prozesse zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärktem SiC Gasphaseninfiltration Isotherm p, T-Gradienten Ohne in-situ Reaktion Flüssigphaseninfiltration mit in-situ Reaktion Si-Monomerenpyrolyse SiC-Abscheidung Si-Polymerenpyrolyse Keramisierung C-Polymerenpyrolyse und Reaktion von C-Matrix mit flüssigem Si CVI- Verfahren LPI- Verfahren LSI- Verfahren

11 Steuerklappen Thermalschutzsystem Quelle: NASA Schematische Darstellung des Raumgleiters X38

Steuerklappe des X38 Flugkörper Fibre Coating and CMC-Components

kalten Heckstruktur 2 Elektromotorischer Antriebsmechanismus 3

5 Verschraubungen 6 Antriebslager 7 Hauptschwenklager 8

12 Steuerklappe des X38 Flugkörper Fibre Coating and CMC-Components Quelle: NASA Quelle: MAN 1 Befestigung der heißen Klappe an der kalten Heckstruktur 2 Elektromotorischer Antriebsmechanismus 3 Abdeckung der Kassettensegmente 4 Kassettensegment (4 pro Klappe) 5 Verschraubungen 6 Antriebslager 7 Hauptschwenklager 8 Spaltabdichtung 9 Heckstruktur des X38 Quelle: MAN Kastensegment der Steuerklappe

13 Produktion von Bauteilen für industrielle Anwendungen Einsatz von Faserverbundkeramik im Anlagen-und Apparatebau Maschinenbau Fahrzeugbau Industrieofenbau

14 Beispiele für den chemischen Apparatebau Spezialtragrost für Kolonneneinbauten aus SiC/SiC Rohrboden und Siebplatte für Reaktoren

15 Anwendung in der Elektronik/Elektrotechnik Isolierhülse im Überspannungsschutz Geforderte Eigenschaften: Thermische Stabilität Thermoschockbeständigkeit Druckbeständigkeit Oxydationsbeständigkeit

Faserverstärkte Keramik - Eine neue Werkstoffklasse Weitere Schritte: Anpassung der Herstellungsverfahren an eine industrielle Produktion Erweiterung der Sammlung statistisch gesicherter

16 Faserverstärkte Keramik - Eine neue Werkstoffklasse Weitere Schritte: Anpassung der Herstellungsverfahren an eine industrielle Produktion Erweiterung der Sammlung statistisch gesicherter Werkstoffdaten Verbesserung der Methoden zur Bauteilberechnung und - auslegung Definition von Methoden zur Qualitätssicherung Umfassende Charakterisierung von Materialfehlern im Endprodukt

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