Oxide Ceramic Matrix Composite Innovativer Faserverbundwerkstoff für Hochtemperaturanwendungen
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
Zusammenwirken der Komponenten in einem OCMC 400 350 Al 2 O 3 max. Biegespannung [MPa] 300 250 200 150 100 OCMC 50 0 0 0,1 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
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
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 FW30-3000 FW12-1500 MvM1415N MvM2220 AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW30-3000 FW12-1500 AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW30-3000 FW12-1500 AvM1415N-3000 AvM1415N-1500 FW30-3000 FW12-1500
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 FW30-3000 FW12-1500 FW30-3000 FW12-1500 FW30-3000 FW12-1500
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] 20-30 60 70 60-70 E-Modul Biegung [MPa] - - - Zugfestigkeit [MPa] - - - E-Modul Zug [MPa] - - - Druckfestigkeit [MPa] - - - E-Modul Druck [MPa] - - - Scherfestigkeit (ILSS) [MPa] - - - Wärmedehnung [10-6 1/K] 2 6-8 6 8 Wärmeleitfähigkeit [W/mK] < 1 < 1,5 < 1,5 Daueranwendungstemperatur [ C] ohne mechanische Last Daueranwendungstemperatur [ C] mit mechanischer Last < 950 < 1150 < 1150 < 900 < 1100 < 1100
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] 160-170 (2) 120-130 310-320 (2) 273 (5) 170-180 (1) E-Modul Biegung [MPa] 78 (2) 50 92 (2) 85 (5) Zugfestigkeit [MPa] 55-65 (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] 25-300 C 25-600 C 25-900 C 25-1100 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)
Einfache Bauteile aus OCMC - Platten - Rohre - Profile Oxid Ceramic Matrix Composite ersetzten thermisch hochbelastete Bauteile aus Metall und SiC
OCMC Anwendung Brennertechnik: Brennerrohre Flammrohr Metall aus 1.4541 neu Flammrohr Metall aus 1.4541 nach 1000 h Flammrohr Keramikblech Flammrohr Keramikblech nach 20.000 h im Einsatz Einsatzort: Knäckebrotbackstraße, die Lebenszeit von Metall beträgt lediglich 1000 Stunden! Die Lösung: Ein Flammrohr aus OCMC ist seit mehr als 50.000 Stunden im Einsatz Vorteile der Flammrohre aus OCMC - thermoschockbeständig - temperaturbeständig - schadenstolerant - dünnwandig - langlebig - korrosionsbeständig
OCMC Anwendung Brennertechnik: Brennerrohre, Verteiler, Brennerspitzen
OCMC Anwendung Aluminiumgießerei: Rohre, Gießrinnen, Feeder-Boxen
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, 56203 Höhr-Grenzhausen Tel: +49 (2624) 952760, Fax:+49 (2624) 952759, Internet: www.processceramics.de
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
OCMC Anwendung Ofenbau: Ofentürisolierung Die Isolierung wird durch eine 2- geteilte Verkleidung aus OCMC in Form gehalten, kein Faseraustritt ist möglich!
OCMC Anwendung Ofenbau: Heizwendelschutz Rohrofen mit Heizwendelschutz Heizwendelschutz aus OCMC für Rohrofen
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!
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!
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.
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