Entwicklung großserienfähiger Fertigungsverfahren zur Herstellung keramischer oxidationsgeschützter Pultrusionsprofile für Hochtemperaturanwendungen

Abstract

In dem IGF-Vorhaben KOPRA wurde ein innovativer Ansatz verfolgt, um die Herstellung von Profilstrukturen aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (C/C) deutlich wirtschaftlicher zu gestalten. Darüber hinaus wurden innovative Beschichtungsmöglichkeiten untersucht, um die Oxidationsneigung von C/CWerkstoffen deutlich zu reduzieren. Zunächst wurde eine Technologie entwickelt, um unidirektional verstärkte Profile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit Phenolharzmatrix im Pultrusionsverfahren zu fertigen. Mittels Parameterstudien wurden statistisch abgesicherte Prozessfenster ermittelt, um qualitativ hochwertige CFKProfile mit Phenolharzmatrix herstellen zu können. Diese Profile wurden anschließend durch Pyrolyse in den C/C-Zustand überführt und umfangreich charakterisiert. In einem zweiten Schritt wurden die Ergebnisse auf die Fertigung triaxialverstärkter, gradierter Profilstrukturen übertragen. Die erfolgreiche Einarbeitung von Füllstoffen in die CFK- und C/C-Mikrostruktur wurde am Beispiel von Graphit und Silizium nachgewiesen. Zudem gelang es, Profile mit gradierter Struktur bzw. mit Silizium angereicherter Oberfläche zu realisieren, wobei das Silizium bei der Pyrolyse oberhalb von 1420 °C zu Siliziumcarbid reagierte und dadurch die Applikation und Haftung einer Schutzschicht begünstigte. Die Ergebnisse bestätigten das große Potenzial der pultrusionstechnisch hergestellten und beschichteten Profile für den Einsatz im Industrieofenbau. Anhand eines Projektdemonstrators in Form eines Chargiergestells konnte der Nachweis erbracht werden, dass sich die über Pultrusion hergestellten C/CProfile mechanisch problemlos bearbeiten lassen (z. B. Trennen, Fräsen oder Bohren) und ausreichende mechanische Stabilität für Konstruktionszwecke aufweisen. Die Ziele des Forschungsvorhabens sind erreicht worden.