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Werkstoffe
Leichte Alternative für hohe Temperaturen
Ob Fahrzeugbau, Luftfahrt oder Kraftwerktechnik: Steigende Rohstoffpreise und wachsende Ansprüche an die Energieeffizienz technischer Produkte treiben überall die Entwicklung von Leichtbau-Konstruktionen voran. Dabei denken viele Ingenieure auf ihrer Suche nach dem geeigneten Werkstoff zunächst an Leichtmetalle wie Aluminium und Magnesium oder an (faserverstärkte) Kunststoffe. Was aber, wenn hohe Umgebungs- oder Betriebstemperaturen den Einsatz dieser Materialien verbieten? Für solche Fälle bietet das Werkstoffzentrum Rheinbach (WZR) innovative Leichtbau-Lösungen in Keramik. Inzwischen weit verbreitet sind beispielsweise keramische Faserverbund-Gewebe (Ceramic Matrix Composites) aus Kohlenstoff, Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid, deren Fasern mit keramischen Precursoren (molekulare Vorstufen) infiltriert und thermisch konsolidiert werden. Daraus gefertigte Bauteile verfügen über ein extrem geringes Gewicht, eine gute Temperaturbeständigkeit sowie eine für Keramiken ganz untypische Zähigkeit und Zugfestigkeit.
Überaus vielversprechende Perspektiven für die Realisierung temperaturbeständiger Leichtbau-Lösungen zeichnen sich derzeit vor allem durch die Verwendung so genannter PT-Keramiken ab. Diese entstehen, indem der Zellulosemasse – Grundstoff jeder Papierproduktion – ein keramischer Rohstoff, beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3), zugemischt wird. Dieser traditionelle Verfahrensschritt der Papiererzeugung wurde in Forschungsprojekten der Papiertechnischen Stiftung (PTS), München entscheidend weiterentwickelt: Ein neuer Prozess erlaubt es, anstatt der bisher üblichen Füllstoffgehalte von 40 Gewichtsprozent die Papiere nun mit bis zu 85 Gewichtsprozent anzureichern. Durch diesen hohen Anteil anorganischer Füllstoffe nimmt das Papier die Materialeigenschaften eines keramischen Grünlings an, lässt sich aber dennoch zunächst wie normales Papier umformen und prägen.
Das Material wird als präkeramisches Papier bezeichnet. Durch Laminieren können beispielsweise mehrere Lagen PT-Keramik zu Platten von hoher Festigkeit oder durch Verbinden gewellter Lagen mit zwei planaren präkeramischen Papieren können tragfähige Wellpappen-Strukturen realisiert wer- den. Nach der thermischen Behandlung und der Sinterung entstehen daraus rein keramische Bauteile – sprich: Leichtbau-Strukturen aus PT-Keramik. »Verglichen mit einer massiven Aluminiumoxid-Keramik gleicher Dicke werden so Gewichtsersparnisse von über 50 Prozent erreicht«, sagt Dieter Nikolay, der Entwicklungsleiter des WZR. Bauteile aus modifizierten PT-Keramiken haben eine extrem geringe Wärmekapazität und eine sehr hohe Steifigkeit. Sie eignen sich hervorragend als Konstruktionselemente für Hochtemperatur-Anwendungen bis 1.600°C. -sg-
Werkstoffzentrum Rheinbach GmbH, Rheinbach Tel. 02226/1698-10, http://www.werkstoffzentrum.de
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