Lehrstuhl für Materials Engineering

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Koch

Keramische Faserverbundwerkstoffe

Keramische Werkstoffe ermöglichen mit ihren herausragenden Eigenschaften bei hohen Temperaturen und in korrosiver Umgebung neue Konzepte zur Mobilität und zur Energiewandlung, die Erhöhung von Wirkungsgraden und die Erschließung neuer Anwendungen in extremer Umgebung.

 

Bruchfläche einer faserverstärkten Keramik (Quelle: DLR-BT)

Der Lehrstuhl Materials Engineering betrachtet die gesamte Prozesskette keramischer Faserverbundstrukturen, von der Materialsynthese bis zur Wiederverwertung. Materialsynthese, keramische Prozesstechnologie, Preformtechnologie, Formgebung, Oberflächenbeschichtung und Endbearbeitung sind wichtige Teilaspekte. Die Kompetenz am Lehrstuhl liegt darin, maßgeschneiderte Werkstoffe für spezifische Anwendungen zu entwickelt. So werden Composites und hybride Strukturen mit gewünschter Faserarchitektur, hierarchischem Aufbau und eingestellter Porenmorphologie auf verschiedenen Skalen hergestellt. Aus dem Anwendungsszenario eines Zielbauteils werden die richtige Materialzusammensetzung und -kombination definiert und dann die Bauteilherstellung technologisch umgesetzt.

Aktuelles

Arbeitskreis Verstärkung keramischer Werkstoffe goes virtual

 

Protokoll zum 55. Arbeitskreis Verstärkung keramischer Werkstoffe

Augsburg, 2.10.2020, Dietmar Koch

 

Wissenschaftlicher Austausch muss sein – auch in Zeiten, in denen persönliche Zusammentreffen schwierig sind. Dank der Unterstützung von Herrn Klein, Geschäftsführer der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde DGM, konnten wir für das erste virtuelle Treffen des Arbeitskreises Verstärkung keramischer Werkstoffe die Tagungsplattform der DGM zum Austausch nutzen. Herr Jahn vom Composites United CU, kümmerte sich dankenswerterweise maßgeblich um Planung und Organisation.

 

Teilnehmer des Treffens des Arbeitskreises Verstärkung keramischer Werkstoffe © Universität Augsburg

 

Die Vortragenden präsentierten ihre Arbeiten zu verschiedenen Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden, zur Entwicklung neuer Faserpreformen und zur Berechnung und Simulation des mechanischen Verhaltens keramischer Faserverbundwerkstoffe. Vortragsübergreifend wurden wichtige Themen adressiert, die für die Weiterentwicklung der keramischen und metallkeramischen Werkstoffe und Verbunde von zentraler Bedeutung sind: Leichtbauwerkstoffentwicklung, in-situ-Techniken, textiles Design, Simulation, Multiskaleneffekte, industrielle Relevanz der Forschung.

 

Zunächst stellte Herr Schüppel, Geschäftsführer des Ceramic Composites im Composites United die Aktivitäten der Abteilung Ceramic Composites vor. Das Netzwerk hat sich zum Ziel gesetzt, die Faserverbundkeramiken bekannt zu machen, neue Märkte zu erschließen und die Mitglieder durch Wissensaustauschplattformen, übergeordnetes Marketing, Initiierung von Förderprogrammen und Vernetzung zu unterstützen.

 

Herr Jimenez vom Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile IFKB, Universität Stuttgart, stellte seine Arbeiten zur Entwicklung neuartiger C/Al-Verbundwerkstoffe vor. Die Kohlenstofffasern werden mit Polysiloxan beschichtet, um bei der Aluminium-Infiltration eine Karbidbildung an der Grenzfläche zwischen Faser und Matrix zu unterdrücken. Das Verfahren Spark Plasma Sintering SPS beschleunigt im Vergleich zum Heißpressen den Metallinfiltrationsvorgang und damit die Bauteilherstellung extrem und ist daher sehr vielversprechend. Aktuelle Arbeiten fokussieren auf der Kontrolle der Diffusionsprozesse während des SPS-Verfahrens, um die Schadenstoleranz der resultierenden Werkstoffe zu verbessern.

 

Herr Schukraft vom Institut für Materials Resource Management MRM, Universität Augsburg, zeigte seine Arbeiten zur Herstellung von Metallmatrixverbundwerkstoffen MMC. Offenporige Al2O3-Schaumstrukturen werden durch Gasdruckinfiltration mit verschiedenen Al-Gusslegierungen infiltriert. Über in-situ-Prüftechniken im Computertomograph wird das mechanische Verhalten der Durchdringungswerkstoffe beobachtet und die Risswachstumsmechanismen abgeleitet. Die Erkenntnisse dienen als Basis für die mikrostrukturelle Verbesserung der MMCs.

 

Auch Herr Kubelka, Institut für Werkstoffe und Werkstofftechnologien, HS Pforzheim, beschäftigt sich mit Metall-Keramik-Verbunden. Er entwickelt zelluläre metallische Schaumstrukturen, deren Stege mit SiC-Partikeln mechanisch verstärkt werden. Alternativ werden geschlossenzellige Metall-Keramik-Schaumstrukturen hergestellt, bei denen Schüttungen aus hochporösen Al2O3-Keramikkugeln mit verschiedenen Al-Legierungen schmelzinfiltriert werden. Die resultierenden Leichtbaustrukturen werden im Druckversuch getestet und auf ihre Duktilitätseigenschaften untersucht.

 

Herr Putzke vom Fraunhofer HTL-TFK Münchberg und der HS Hof, zeigte neue Möglichkeiten zur Entwicklung von mehrdimensionalen textilen Strukturen aus Hochleistungsfasern auf. Am TFK wurde ein neues Technikum eingeweiht, in dem komplexe Faserpreformen aus C-Fasern und Keramikfasern im Industriemaßstab hergestellt werden können. Der Fokus liegt dabei auf den Prozessentwicklung zur Herstellung mehrlagiger Strukturen, die über Flechten, Weben, Stricken, Vernähen und andere Textilverfahren realisiert werden.

 

Herr Ostwald von der TU Dortmund stellte sein Konzept zur mikromechanisch motivierten Modellierung und Simulation komplexer CMC-Bauteile vor. In Kooperation mit der Universität Bremen entwickelt er Homogenisierungsmethoden, mit denen er die komplexe Mikrostruktur keramischer Faserverbundwerkstoffe beschreiben kann. Nach der Definition von Schädigungsparametern wird die Schädigung auf Bauteilebene über Finite-Element-Modellierung netzunabhängig berechnet. Die notwendigen Messwerte werden durch Zug-, Druck- und Scherversuche ermittelt.

 

 

Zum Arbeitskreis Verstärkung keramischer Werkstoffe

 

Der Arbeitskreis Verstärkung keramischer Werkstoffe (AK Verstärkung) ist ein Gemeinschaftsarbeitskreis von Deutscher Gesellschaft für Materialkunde (DGM) und Deutscher Keramischer Gesellschaft (DKG) und wird vom Netzwerk Ceramic Composites des Composites United (CU) sowie von der Universität Augsburg unterstützt. In seiner jetzigen Form findet der AK Verstärkung seit 1994 regelmäßig statt und wird seit 2007 von Prof. Dr.-Ing. Dietmar Koch, Institut für Materials Resource Management (MRM), Universität Augsburg, geleitet. Die 55. Sitzung des AK Verstärkung fand am 2.10.2020 als Thementag des CU statt und wurde erstmals virtuell abgehalten. Knapp 90 Interessierte nahmen an der Veranstaltung teil.

 

Der AK Verstärkung verfolgt das Ziel, die Firmen, Forschungseinrichtungen und Universitäten zusammenzubringen, die auf dem Gebiet der keramischen Faserverbundwerkstoffe aktiv sind. Bei den Treffen werden wissenschaftliche Vorträge gehalten und im Plenum intensiv diskutiert. Gleichzeitig dienen die Veranstaltungen auch der Anbahnung von Projekten und Kooperationen.

 

Der AK Verstärkung trifft sich in der Regel zwei Mal im Jahr, Anfang März und Anfang Oktober. Am Vortag diskutieren beim Doktorandenarbeitskreis junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich mit keramischen Faserverbundwerkstoffen bzw. angrenzenden Themen beschäftigen. In diesem Rahmen können die Promovierenden ihre Ergebnisse und ihren Arbeitsfortschritt offen diskutieren und ihr eigenes wissenschaftliches Netzwerk aufbauen. Der Doktoranden-Arbeitskreis wird seit Oktober 2016 von Linda Klopsch, DLR Stuttgart, organisiert.

 

 

Nächstes Treffen

 

Das nächste Treffen des Arbeitskreises findet am 5. März 2021 statt, entweder wieder als Online-Veranstaltung oder am Institut für Materials Resource Management (MRM) an der Universität Augsburg statt.

Kontakt: Dietmar Koch (dietmar.koch@mrm.uni-augsburg.de).

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