Noch festere Verbindungen zwischen verschiedenartigen Materialien
Neue Materialien auf Keramikbasis mit außergewöhnlicher Wärmebeständigkeit und weiteren Hochleistungseigenschaften sind bislang aufgrund mangelnder zuverlässiger Verfahren, die sie mit Metallen und anderen existierenden Werkstoffen verbinden, nicht in umfassendem Maße in der Fertigungsindustrie eingesetzt worden. Das EU-finanzierte ADMACOM-Projekt (Advanced manufacturing routes for metal/composite components for aerospace) hat nun Möglichkeiten gefunden, um „Hybridstrukturen“ herzustellen, indem neuere Materialien auf Keramikbasis mit traditionellen Metallen und Polymeren verbunden werden. Die Eigenschaften verschiedener Materialien wie Ausdehnung oder Schrumpfung, mechanische Festigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit unterscheiden sich oft enorm und erschweren eine zuverlässige und feste Verbindung. „Wir haben an der Nanostruktur der beiden zu verbindenden Flächen gearbeitet, um die Oberflächenmikrostruktur zu verändern und so die Oberfläche zu vergrößern“, sagt Projektkoordinatorin Monica Ferraris, Professorin am Politecnico di Torino, Italien. „Sobald an beiden Werkstoffen durch Laser-Nanostrukturierung, hohe Temperaturen oder andere Verfahren unebene Oberfläche erzeugt werden, können diese mit Hilfe von Klebstoffen, welche in die unebene Oberfläche eindringen und die Bindung verstärken, mechanisch verzahnt werden.“ Materialpalette unter der Lupe Universitätsforscher, Industriedesigner, Werkstoffwissenschaftler und Ingenieure aus der Luft- und Raumfahrt, Nanotechnologie und weiteren Industriebereichen wie etwa Airbus Group und MT Aerospace, Deutschland, kamen im Rahmen des ADMACOM-Projekts, Bestandteil der öffentlich-privaten Partnerschaft „Factories of the Future“, zusammen, um die Fügetechnik mit einer Palette von Materialien zu entwickeln. Bei Airbus verwendete man zum Beispiel Laser, um die Oberfläche von Materialien wie Siliziumkarbid und Siliziumnitrid zu modifizieren, um sichere „bürstenähnliche Verbindungen“ zu erzeugen. „Zwischen die beiden Werkstoffe gelangt nur ein Fügematerial von wenigen Mikrometer Dicke“, erklärt Professorin Ferraris, und dennoch entsteht eine feste und zuverlässige Verbindung. „Diese Herangehensweise kann jedes Mal angepasst und eingesetzt werden, wenn zwei verschiedene Materialien miteinander verbunden werden sollen. Es ist universell und nicht nur für die Luft- und Raumfahrt von Nutzen“, wie Ferraris sagt. Kleinere Teile, weniger Gewicht Keramische Werkstoffe und neue keramische Faserverbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites, CMC) – durch Fasern verstärkte keramische Materialien – revolutionieren bereits die Industriebauteilgestaltung, doch die üblichen Methoden wie etwa der Einsatz von zusätzlichen Schrauben zur Verbindung verschiedenartiger Materialien können bei keramischen Werkstoffen Spannungen verursachen und diese bruchanfällig machen. Das neue Verfahren bedeutet weniger Teile, damit auch weniger Schrauben und Bolzen, und verringert das Gewicht, was zu erheblichen Energieeinsparungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, bei Satelliten, Hochdruckturbinen und Kernreaktoren führen kann. Das Team erprobte den Prozess anhand von vielen verschiedenen Materialien, wobei man eine detaillierte mikrostrukturelle Analyse der Oberflächen und Grenzflächen sowie unterschiedlicher Verbindungsmaterialien einschließlich Klebstoffen unter Einsatz eines ähnlichen vergleichbaren Tests vornahm. „Ein wertschöpfendes Resultat des Projekts ist, dass wir nun in einer guten Ausgangsposition sind, um verschiedene Verbindungsmaterialien unter Verwendung derselben standardisierten Prüfung wie zu Beginn des Projekts zu validieren. Gefügte Materialien wurden mit denselben Verfahren einschließlich thermischer Tests auf mechanische Funktionseigenschaften getestet“, sagt Professorin Ferraris. „Wir haben gelernt, dass Oberflächenmodifizierung, wie sie bereits zur Verstärkung von Holzverbindungen bekannt ist, auf andere Materialarten wie in diesem Fall auf Keramikmaterialien und keramische Faserverbundwerkstoffe übertragen werden könnte, um die Verbindungen zu verstärken.
Schlüsselbegriffe
ADMACOM, Materialien, Werkstoffe, Luft- und Raumfahrt, Satelliten, Ceramic Matrix Composites (CMC), keramische Faserverbundwerkstoffe