Gestaltungsrichtlinien für CMC-Bauteile

Abstract

Abgeleitet von den charakteristischen Eigenschaften faserkeramischer Werkstoffe werden zehn Richtlinien für die Bauteilkonzeption mit Faserkeramik erläutert und anhand ausgewählter Bauweisen beispielhaft dargestellt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf Fügestellen und Krafteinleitungsbereiche gerichtet. An das Entwicklungspotential faserverstärkter Keramiken werden hohe Erwartungen geknüpft. Die Keramik-Werkstoffwissenschaftler erwarten eine Steigerung der Risszähigkeit und der Schadenstoleranz im Vergleich zur unverstärkten Keramik. Die Leichtbaukonstrukteure hoffen, mit Hilfe eines hochtemperaturbeständigen, schadenstoleranten Werkstoffs mit einer Dichte < 3 g/cm3 neue Anwendungsgebiete erschließen und auf dem Gebiet heißer, tragender Strukturen zum Teil die Superlegierungen ersetzen zu können. Der Gedanke, im Hochtemperaturbereich faserverstärkte keramische Werkstoffe einzusetzen, ist nicht neu. Schließt man die kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffe (C/C) und die verstärkten Gläser mit ein, kann man auf eine über 20-jährige Erfahrungszeit zurückblicken. Die Firma Aerospatiale fertigt heute dreidimensional verstärkte C/C-Düsen für Raketentriebwerke bis 1,5 m Durchmesser und 1,5 m Länge in automatisch gesteuerten Fertigungseinrichtungen. Die Firma SGL ist in der Lage, 2 D-C/C-Formen mit 1,3 m Durchmesser und 2 m bis 5 m Länge für das superplastische Umformen von Titan-Triebwerkseinläufen herzustellen. Die Nase und Flügelvorderkanten des Space Shuttle sind aus C/C mit Oxidationsschutz und unter Extrembedingungen mehrfach erfolgreich flugerprobt. Thermomechanisch hochbelastete Strukturen aus Faserkeramikwerkstoffen, wie C/C, C/C-SiC, C/SiC und SiC/SiC stellen insbesondere für zukünftige, wiederverwendbare (geflügelte) Raumtransportsysteme (RTS) und Hyperschallflug-zeuge eine Schlüsseltechnologie dar, da es für die hierbei auftretenden Temperaturbereiche keine Werkstoffalternative gibt. Faserkeramiken finden ihre Anwendungen im Bereich "Heißer Strukturen" des Thermalschutzsystems, in thermisch hochbelasteten Klappen, Stoßstangen sowie im Triebwerksbereich (Einlauf, Brennkammer, Düse).