Stark aufgestellt: der Arbeitskreis „Verstärkung keramischer Werkstoffe“ tagt mit umfangreichen Programm

Der Arbeitskreis Verstärkung keramischer Werkstoffe traf sich dieses Mal an der Universität Bayreuth. Am Tag zuvor hatten sich bereits über 30 Doktorandinnen und Doktoranden aus ganz Deutschland zum internen Meinungsaustausch am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Uni Bayreuth getroffen. Die über 60 Teilnehmerinnen und Teilnehmer vor Ort und die ca. 25 online Zugeschalteten beteiligten sich rege an Diskussionen über die Vortragsthemen.

Nach der Begrüßung durch Dietmar Koch berichtete Md Nurul Karim, Universität Bremen, über seine Arbeiten zum Thema „Deep learning-based characterization of porous ceramics and ceramic composites“. Computertomografisch erzeugte 3D-Daten werden als Trainingsdaten für Machine-Learning Algorithmen genutzt, um virtuelle Strukturen mit gewünschten Porenmorphologien und einstellbaren Porositätskenngrößen zu generieren. Ziel ist es, diese virtuellen Strukturen über 3D-Druck generativ zu fertigen. Zudem können über Machine-Learning auch die Gefüge von Faserverbundkeramiken volumetrisch analysiert und segmentiert werden. Damit gelingt es, die Rissentwicklung unter Last zu beobachten und mit anderen Messdaten wie mechanischer Beanspruchung und Schallemissionssignalen zu korrelieren.

Anschließend stellte Markus Körzdörfer, Ariane Group München, seine Arbeiten zur simulativen und optischen 2D-Strukturanalyse geflochtener Preformen vor. Beim Flechten von C-Fasern werden mit Hilfe einer Polarisationskamera die realen Ablegewinkel erfasst und mit den Sollwerten verglichen. Mit hoher Genauigkeit kann damit die Faserablage auch bei komplex geformten Strukturen mit variierenden Durchmessern erfasst werden. Damit kann das mechanische Verhalten der geflochtenen Strukturen auf Basis der gemessenen real vorliegenden Ablegewinkel bewertet werden. Zudem sollen die Erkenntnisse von Ablegefehlern genutzt werden, um bei der Programmierung der Flechtanlage schon im Vorfeld Korrekturen vorzunehmen, um die gewünschten Faserorientierungen im Bauteil zu erreichen.

Xufei Fang, TU Darmstadt berichtete über seine Aktivitäten zum Thema Mechanics-tuned dislocations in functional ceramics: a toolbox from room temperature to high temperature. Er zeigte auf, dass in einkristallinen Systemen wie SrTiO3 vor einer Rissbildung bereits Versetzungen auftreten. Durch zyklische Belastung über Vickers-Eindrücke können zusätzlichen Versetzungen im Gefüge induziert werden. Mit Erhöhung der Versetzungsdichte kann die Bruchzähigkeit signifikant gesteigert werden. Mit diesen Erkenntnissen soll zukünftig auch in polykristallinen Strukturen die Auswirkungen von Versetzungen evaluiert werden und auch Poren in Realstrukturen bewertet werden.

Cornell Wüstner, Papiertechnische Stiftung (PTS), präsentierte die Entwicklung einer formstabilen hybriden Werkzeugisolation im Kraftfluss. Ziel seiner Arbeiten ist die Erzeugung druckstabiler Isolationswerkstoffe mit ausreichenden mechanischen Druckeigenschaften in Dickenrichtung und möglichst geringer Wärmeleitung. Dazu wurden von der Universität Bayreuth plattenförmige faserkeramische Oxid/Oxid-Keramiken hergestellt. Aus diesen Platten wurden Rahmenstrukturen herausgearbeitet, in deren Aussparungen papiertechnisch hergestellte Isolationswerkstoffe eingebracht wurden. Während die faserverstärkte Rahmenstruktur die mechanischen Lasten trägt, gewährleisten die papiertechnisch hergestellten hochporösen gestapelten Schichten die erforderliche thermische Isolationsfähigkeit. Bei der Papierherstellung der Schichten werden cellulose-basierte Grünpapiere mit Keramikpartikeln und Kurzfasern gefüllt und nach Entbinderung gesintert. Zukünftig werden die Rahmen aus einem Stecksystem mit in Lastrichtung ausgerichteten Fasern hergestellt, um die mechanischen Eigenschaften der Gesamtstruktur weiter zu verbessern.

Nach der Mittagspause präsentierte Nancy-Jane Biller, Hochschule Reutlingen, das Nassvliesverfahren zur Herstellung oxidfaserkeramischer Vliese. Mit diesem Verfahren sollen zum einen kommerzielle Kurzfasern, zum anderen aber auch Verschnitte weiterverarbeitet werden, die bei der Herstellung oxidfaserverstärkter Bauteile aus Geweben und Rovings als Reste anfallen. Es entstehen Vliese mit einstellbaren Eigenschaften und Faservolumenanteilen. Nach der Infiltration einer oxidkeramischen Matrix können diese Vliese dann beispielsweise als Kerne für Sandwichstrukturen verwendet werden. Durch die Verwendung von Verschnittfasern können kostengünstige Verbundwerkstoffe hergestellt werden.

Mit kostengünstigen Faserverbundkeramiken beschäftigt sich auch Jens Schmidt, FhG-HTL Bayreuth. In seinem Vortrag Low-Cost CMC – Bezahlbare Hochtemperaturwerkstoffe mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Schadenstoleranz zeigte er auf, mit welchen Möglichkeiten entlang der Prozesskette Einsparungen erzielt werden können. Angepasst an die Einsatzbedingungen können preisgünstige Alternativfasern aus Basalt oder Glas eingesetzt werden. Des Weiteren können statt aufwändiger Gasphasenprozesse nasschemische Faserbeschichtungsmethoden verwendet werden. Durch die Reduzierung der Herstellkosten werden neue Anwendungen wie zum Beispiel der Einsatz on Ox/Ox-Faserkeramiken als Firewall möglich.

Peter Wagner, Isovolta, präsentierte die Entwicklung von Prepregs für Low-Cost CMC. Durch die Herstellung von lagerfähigen Prepregs ist es möglich, kostengünstig Bauteile über Drapiertechnik herzustellen. Durch den Einsatz keramischer Materialien können bei Temperaturen bis 900°C Bauteile hergestellt werden, die gegenüber herkömmlichen Werkstoffen eine deutliche Gewichtseinsparung ermöglichen. Diese Werkstoffe dienen beispielsweise als Feuerschutz für Batteriesysteme in E-Autos. Der Funktionsnachweis erfolgt dabei mit Hilfe einer partikelbeladenen Heißgasflamme. Das einseitig erhitzte Bauteil muss diese Belastung für vorgegebene Zeiten schadensfrei aushalten.

Im Nachgang zu den Vorträgen konnten die Teilnehmenden noch den Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth besichtigen, Nico Langhof und Stefan Schafföner führten im Anschluss noch durch die neuen Räumlichkeiten des Lehrstuhls im TAO-Gebäude.

Die nächsten Treffen des Doktoranden-Arbeitskreises und des Arbeitskreises finden am 02. und 03. März 2023 bei der Firma Schunk in Heuchelheim statt. Das Herbsttreffen 2023 wird am 12. und 13. Oktober 2023 beim DLR in Köln stattfinden. 

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