Hochtemperatur-Lösungen: CFK-Integration mit Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen (CMC)

Materialien, die Hochleistungsstrukturen bei Einsatztemperaturen über 500 °F / 230 °C ermöglichen, sind begrenzt. Optionen sind im Wesentlichen Metalle wie Titan und Legierungen wie Inconel, Polyimide (PI) oder Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe (CMC). Alle sind signifikant teurer als konventionelle Kohlefaserverstärkte Polymer (CFK) Verbundwerkstoffe, aber CMC gewinnen Interesse wegen ihrer niedrigen Dichte – etwa ein Drittel von Inconel und die Hälfte von Titan. Der Nachteil von CMC war die lange Bearbeitungszeit für Teile – knapp 30 Tage laut April 2019 Artikel im American Ceramic Society Bulletin.

Pyromeral (Barbery, Frankreich) hat jedoch eine Produktfamilie entwickelt, die diese Lücke schließt: Performance bis 1.500 °C mit Verarbeitung, die CFK ähnelt, Teile in etwa einer Woche. „Wir haben neuartige Chemie entwickelt, die fortgeschrittene Glas-Keramik-Matrizen mit kontinuierlichen Fasern ohne den langwierigen Schmelzinfiltrationsschritt ermöglicht“, erklärt Pyromerals Sales & Marketing Director Guillaume Jandin. Das Unternehmen bietet PyroKarb, PyroSic und PyroXide Materialien, verstärkt mit Hochmodul-Kohlefaser, Siliziumkarbid und Aluminiumoxidfasern, jeweils typischerweise als 2x2-Köpergewebe, resultierend in Verbundwerkstoffen mit Faser-Volumenanteil (FVF) von 50 %.

Thermische Performance-Faktoren

Jandin erklärt, dass alle drei Pyromeral-Materialien über 1.000 °C für weniger als 1 Stunde performen können. PyroKarb bietet Langzeitbetrieb (<1.000 h) bei 200 °C und bis zu 100 h bei 500 °C. PyroSic bietet Langzeitbetrieb bei 500 °C und bis zu 100 h bei 800 °C. PyroXide bietet Kurzeinsatz bis 1.500 °C, sehr nah an Ox-Ox CMC Performance, aber bei geringeren Kosten.

„Thermische Performance in echten Teilen hängt von vielen Faktoren ab“, sagt Jandin. „Dazu gehören Art der Wärme (Strahlung, Konvektion), ob Luftstrom Bereiche kühlt, und welche strukturellen Eigenschaften gefordert sind – z. B. nicht-struktureller Hitzeschild oder halb-strukturelles Teil. Ob Materialien bei kontinuierlicher Hochtemperatur oder kurzen Spitzen arbeiten, ist ebenfalls kritisch. PyroSic und PyroKarb funktionieren gut bei Letzterem, z. B. wiederholte Zyklen von 1.000 °C für ein Zehntel Sekunde, Abkühlung, Wiederholung. Ihr niedriger CTE von ca. 3·10⁻⁶ µm/m/K ist ein Vorteil vs. Metalle, die zu CTE > 10·10⁻⁶ µm/m/K neigen. Diese Metalle bauen Spannung auf bei schnellem, hochtemperaturigem Thermocycling und degradieren durch Ermüdung, während unsere Materialien das nicht tun.“

CFK-ähnliche Verarbeitung, Hochtemperaturanwendungen

„Wir erfanden unsere Matrixmaterialien, um bei Raumtemperatur flüssig zu sein und Imprägniermaschinen zur Prepreg-Herstellung zu nutzen“, merkt Jandin an. Die Prepregs werden auf CFK/Epoxid-Werkzeuge gelegt. „Wir arbeiten nicht mit Metallwerkzeugen, weil unsere Matrix alkalisch ist und reagieren könnte“, fügt er hinzu. „Nächster Schritt: Autoklavverdichtung bei 100 °C und 6 bar für ca. 12 Stunden.“ Teile werden entformt und durchlaufen dann freistehend einen zweistufigen Thermoprozess bei 500–1.000 °C, der die Keramisierung der Matrix abschließt, resultierend in strukturellen Komponenten.

Pyromeral fand frühen Erfolg in Formel-1-Rennwagen. „Unsere Materialien werden in Hitzeschildern um Motoren und Bremsen eingesetzt, die 500–700 °C erreichen“, sagt Jandin. „In der 2012–13 F1-Saison nutzte jedes Auto außer Sauber unsere Materialien für Teile zur Lenkung von Motorabgasen (800 °C). Diese Strukturen widerstanden auch Vibrationen von Abgas und Chassis. Jetzt haben wir Komponenten in jedem F1-Auto.“

„Zudem können wir Hochleistungsisolierung in unsere Materialien integrieren, um 700 °C Temperaturabfall bei 6 mm Dicke zu widerstehen“, fährt er fort. „Beispiel: Wir fertigen Komponenten, die ein F1-Getriebe aus CFK/Epoxid – das unter 180 °C bleiben muss – innerhalb von 20 mm zum Turbolader bei 900–950 °C ermöglichen.“ Andere Anwendungen: PyroXide Hitzeschild qualifiziert für Ariane 5 Trägerrakete und Teile für Ariane 6, sowie PyroSic Auspuffauslässe für große Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs).

Pyromeral hat mit Composite Resources (Rock Hill, South Carolina, USA) partnerschaftlich den US-Markt erweitert (siehe „Aufbau einer Nische in der Verbundwerkstofffertigung“). Die Unternehmen sind ähnlich groß und teilen lange Rennsporthistorie. „Unsere Erfahrung in Teile-Design und Fertigung ergänzt Pyromerals Fokus auf Chemie und Materialperformance“, sagt Composite Resources Business Development Director Melvil Clauson.

Die beiden Unternehmen arbeiten daran, Kundenwünsche nach noch höherer Temperaturbeständigkeit zu erfüllen und PyroXides hohe Hochfrequenz-Transparenz (RF) für Radome und Antennen zu charakterisieren. „Wir sehen Interesse bezüglich Überschallflugzeuge und breit angelegter Verteidigungsanwendungen jenseits der Air Force, sowie in kommerziellen Strahltriebwerken“, merkt Clauson an.

„Pyromeral-Produkte sind auch zukunftsgerichtet“, sagt Clauson, „weil sie keine erdölbasierten Substanzen enthalten – nur Wasser als Lösungsmittel. Die anderen Bestandteile sind Minerale, was uns ermöglicht, End-of-Life-Teile in Pulver zu verarbeiten, das in anderen Anwendungen wiederverwendet werden kann.“