Leichtbaubremsen aus C/C-SiC Verbundkeramik

Kurzfassung

Die Entwicklung der keramischen Verbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites, CMC) erzielte in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte, insbesondere hinsichtlich des Eigenschaftsprofils und einer kosteneffizienten Herstellung. Technische Bedeutung zur Herstellung von CMC-Bauteilen unter industriellen Gesichtspunkten erreichten bisher die Gasphaseninfiltration (CVI-Verfahren), die Pyrolyse siliciumorganischer Polymere (LPI-Verfahren) und das Flüssigsilicierverfahren (LSI-Verfahren). Letzteres ist insbesondere für die Herstellung von Reibbelägen und Bremsscheiben aus so genannten C/SiC oder C/C-SiC Werkstoffen geeignet. Tribologische Versuchsreihen mit unterschiedlichen Baumustern für Straßenfahrzeuge und Notbremssysteme zeigen das große Potenzial, das in diesen temperatur- und verschleißbeständigen Materialien für innovative und leistungsstarke Leichtbau-Bremssysteme steckt. Je nach Art der Werkstoffzusammensetzung und des Gefügeaufbaus ergeben sich in Abhängigkeit von der Bremsenbauart (Teilbelagsbremse, Lamellenbremse, usw.) sehr hohe und über einen großen Geschwindigkeitsbereich sehr gleichmäßige Reibwerte. Die Leistungsfähigkeit heutiger Bremssysteme in Straßenfahrzeugen kann mit diesen Faserkeramiken deutlich gesteigert und die ungefederte Masse des Fahrzeugs beträchtlich gesenkt werden. Mit optimierten Bremsbelägen ist erstmals der Einsatz von Lebensdauerbremsen möglich, deren geringe Verschleißraten einen Austausch der Bremsscheiben während der normalen Betriebsdauer eines Fahrzeugs überflüssig machen. Im Bereich von Not-Aus-Bremsen für Industriemotoren, Kräne, Aufzüge und Crashanlagen zeigen C/C-SiC Bremsbeläge vor allem auch unter statischen Bedingungen, wie beispielsweise beim Halten von Lasten in einer definierten Position, hervorragende Reibeigenschaften. Die meist schlagartige Belastung zu Beginn der Bremsung und die sehr hohen Flächenpressungen erfordern aus Festigkeitsgründen meist eine Langfaserverstärkung. Da im Gegensatz zu einer Betriebsbremse die Verschleißbeständigkeit eine untergeordnete Rolle spielt, kann bei diesen Anwendungen jedoch auf eine Verschleißschutzschicht verzichtet werden. Das größte Hemmnis für eine größere Marktakzeptanz sind derzeit die noch hohen Herstellungskosten. Ziel der weiteren Werkstoff- und Verfahrensentwicklung sind daher keramische Leichtbau-Bremssysteme, deren Lebenszykluskosten trotz höherer Beschaffungskosten unterhalb von denjenigen konventioneller Systeme liegen. Forschungs- und Entwicklungsbedarf ist außerdem noch bei den qualitätssichernden Methoden zu sehen, die zur Detektierung von kritischen Fehlern sowohl bei der Fertigung als auch während des Betriebes angewendet werden können.