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High-frequency ELectro-Magnetic technologies for advanced processing of ceramic matrix composites and graphite expansion

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Heiße neue Keramikkomposite

Keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites, CMCs), bei denen expandierte Graphitfüllstoffe genutzt werden, verkörpern eine zukunftsweisende neue Werkstofftechnologie. Mit neuartiger Mikrowellenerwärmung (MW) werden Bearbeitungszeiten verkürzt und der Energieverbrauch gesenkt, um die Markteinführung zu beschleunigen.

Industrielle Technologien
Energie

Auch in anspruchsvollen Hochtemperatur-Weltraumanwendungen wurden keramische Faserverbundwerkstoffe bereits eingesetzt, und die Fertigungs-, Verkehrs- und Energiesektoren könnten profitieren. Diese modernen Materialien sind jedoch momentan schwierig und teuer herzustellen - es sind lange Bearbeitungszeiten erforderlich und der Energieverbrauch ist hoch. So bestand die Triebkraft des von der EU finanzierten Projekts HELM (High-frequency electro-magnetic technologies for advanced processing of ceramic matrix composites and graphite expansion) darin, diese Herausforderungen zu meistern, um neuen Materialtechnologien den Weg zu bereiten. Die Wissenschaftler erforschten innovative MW-Heiztechnologien, die mit den üblichen Wärmebehandlungsabläufen verknüpft wurden. Zu den letztgenannten zählen chemische Gasphaseninfiltration (Chemical Vapour Infiltration, CVI), Liquid Silicon Infiltration (LSI), Graphitexpansion (GE) und Polymerimprägnierung und -pyrolyse (polymer impregnation and pyrolysis, PIP). Man stellte erstmalig einen MW-CVI-Ofen komplett aus Graphit her, um Verunreinigungen des produzierten Materials zu vermeiden. An drei verschiedenen Materialien durchgeführte Infiltrationstests ergaben, dass die CMC-Fertigungszeit verglichen mit der konventionellen isothermen CVI auf ein Drittel verkürzt wurde. Laborversuche mit einem vorhandenen kleinen MW-LSI-Ofen zeigten sehr vielversprechende Resultate. Eine Verflüssigung des Siliziums trat in wenigen Minuten ein. Zum Vergleich: im konventionellen Industrieofen dauert dieser Vorgang mehrere Stunden. Die Projektpartner produzierten außerdem LSI- und GE-Pilotöfen zur Herstellung von Bremssystemen und antiballistischen Platten, wobei die CMC-Bearbeitungszeit um 50 % verkürzt wurde. Aufbauend auf dem Erfolg mit der MW-CVI-Ofenkammer, bei der kein Quarz eingesetzt wurde, nahm man die MW-Erwärmung des PIP-Verfahrens ohne Quarzhohlraum vor. Tests an einem kleinmaßstäblichen System ergaben eine beträchtliche Verringerung der Bearbeitungszeit und des Energieverbrauchs sowie Verbesserungen der mechanischen CMC-Eigenschaften wie beispielsweise Bruchzähigkeit oder Zugfestigkeit. Die Arbeit an der Fertigung eines großmaßstäblichen PIP-Ofens, mit dem ein Vorformling einer Bremsscheibe bearbeitet werden kann, geht auch nach dem Projektende weiter, da es noch Raum für signifikante Verbesserungen gibt. Die HELM-Wissenschaftler konnten eine neuartige MW-Heiztechnologie abliefern, welche die Verarbeitungszeit und den Energieverbrauch im Vergleich zu den üblichen thermischen Prozessen allein erheblich reduziert. Der Bearbeitungsablauf begünstigt kostengünstigere und qualitativ hochwertige CMCs und expandiertes Graphit, was die Realisierung neuer Mikrostrukturen ermöglicht, die derzeit nicht mit konventioneller Technologie zu erreichen sind.

Schlüsselbegriffe

keramische Faserverbundwerkstoffe, keramische Matrixkomposite, Mikrowellen, HELM, Graphitexpansion, Heizungstechnologien, Erwärmungstechnologien

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