Lufo ZEIT: CFK-Werkstoffe für kryogene Wasserstoffspeicher

Abstract

Lufo ZEIT: CFK-Werkstoffe für kryogene Wasserstoffspeicher (Teilvorhaben der Teijin Carbon Europe GmbH, Förderkennzeichen: 20M2113F, Laufzeit: 01.09.2022 – 28.02.2026) Ausgangslage & Zielsetzung: Zur Verwirklichung emissionsfreier Luftfahrtsysteme gewinnen turbinen- und brennstoffzellenbasierte Wasserstoffantriebe zentral an Bedeutung. Dies erfordert extrem leichte und gleichzeitig hochdichte kryogene Tanksysteme. Im Fokus des Projekts stehen Typ-5-Druckbehälter – voll-strukturelle, linerlose Verbundwerkstoff-Tanks aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Ziel von Teijin Carbon Europe war die werkstofftechnische Qualifizierung, Dichtigkeitsprüfung (bezüglich Wasserstoffdiffusion bei Tieftemperaturen) und Prozessoptimierung von duroplastischen und thermoplastischen Tape-Systemen. Hauptaugenmerk lag auf der Reduktion des Flächengewichts (Thin-Plys), um Leichtbaupotenzial, Materialzähigkeit und Serienfertigungseffizienz maßgeblich zu steigern. Methodik & Werkstoffentwicklung: Die Entwicklung erfolgte parallel auf zwei Materialpfaden:

Thermoplastischer Pfad (Tenax™ TPUD): Material: Faser Tenax™ IMS65 P12 24K kombiniert mit einer LM-PAEK (Low Melting Polyaryletherketone) Matrix; Entwicklung: Ausgehend vom Standard-Flächengewicht (145 g/m²) wurde die Grammatur schrittweise über 115 g/m² und 97 g/m² bis auf das finale Thin-Ply-Zielgewicht von 80 g/m² gesenkt; Eigenschaften: Hervorragende Festigkeitswerte, exzellente Wickel-, Schweiß- und Klebeeigenschaften sowie optimale Eignung für automatisierte Legeverfahren (ATL/AFP). Duroplastischer Pfad (Tenax™ TSPP): Material: Faser Tenax™ IMS65 E23 24K; Anpassung: Ursprünglich mit dem Harzsystem Q183 gestartet, zeigten Versuche zur Herstellung dünner Harzfilme, dass zu große Partikel zu Beschichtungsfehlern an den Walzen führten. Zur Absicherung des Projektziels wurde erfolgreich auf das Harzsystem Q11N umgestellt; Ergebnis: Erfolgreiche Herstellung und Bereitstellung von 75 g/m² Thin-Ply-Slittapes (6,35 mm) für automatisierte Baugruppenfertigungen.

Wesentliche Ergebnisse & Fazit: Kryogene Qualifikation: Die Materialcharakterisierungen bestätigten die hohe Leistungsfähigkeit und Dichtigkeit der Thin-Ply-Materialien bei Raumtemperatur sowie unter kryogenen Bedingungen. Verwertbarkeit: Die entwickelten Thin Ply Materialien stehen nun für die industrielle Implementierung in Serienprozessen (z. B. für Tankdomes ca. 3 m Durchmesser, Rohrsysteme und Aufhängungen) zur Verfügung.