Als Keramikfaser bezeichnet man eine schwer zu verarbeitende polykristalline Faser, die aus Metalloxid, Metallcarbid, Metallnitrit und ähnlichen Mischungen besteht. In dieser Definition gelten Silizium und Bor als Metalle. Nach den 1950er Jahren führten Entwicklungen in der Luft- und Raumfahrt-, Metall-, Nuklear- und Chemieindustrie zu einem Bedarf an Materialien, die noch höheren Temperaturen standhalten als Glasfasern. Darüber hinaus wurden leichte, starke und harte Materialien in verschiedenen mechanischen Konstruktionen in der Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt.
Nicht schmelzende Materialien wie Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Siliziumnitrit und Aluminiumoxidsilikat haben eine breite Verwendung gefunden. Keramische Fasern, die seit den 1980er Jahren erforscht werden, basieren im Allgemeinen auf Aluminiumoxid, Alumosilikat und Siliziumkarbid.
Die wichtigsten Hersteller von Keramikfasern auf Aluminiumoxidbasis sind ICI (SAFIMAX), 3M (Nextel),
Dupond (PRD-166) und Sumitomo (ALF). Die wichtigsten Hersteller von Keramikfasern auf Siliziumbasis sind Nippon Carbon (NICALON), Dow Corning / Celanese (MPS), Ube Chemicals (TYRANO) und Rhone Poulenc. (FASERN)
Es gibt im Allgemeinen zwei Gruppen in Aluminiumoxid/Alumosilikat-Zusammensetzungen.
Die erste Gruppe ist bis 1260 OC beständig und enthält 40-50 % Aluminiumoxid. Durch geringfügige Änderungen in der chemischen Struktur dieser Gruppe kann ihre Festigkeit auf bis zu 1400 OC erhöht werden. Die zweite Gruppe hat eine andere Kristallmorphologie und enthält etwa 70 % Aluminiumoxid. Diese Gruppe von Fasern kann bis zu 1600 OC standhalten und war kommerziell erfolgreicher.
Die Synthese von Aluminiumoxidfasern wird mit dem Aluminium-CHELAT-Vorläufer ohne jegliche Polymerzugabe durchgeführt. Alpha – Aluminiumoxid wird durch Schmelzextraktion aus dem Vorprodukt gewonnen. Diese Struktur hat nach einer Wärmebehandlung bei 1300 Grad Celsius eine gleichmäßige und konstante Korngröße. Nach diesem Prozess haben die Fasern eine molekulare Struktur in Form von tetragonalem Zirkonoxid.
In einem neu erhaltenen Patent von Sumitomo wird Wasser in die Aluminiumstruktur eingemischt. Polyanoxan (PAO) wird erhalten und diese Struktur wird bei 28°C bei 35% relativer Feuchtigkeit gezogen, um die Vorläuferstruktur zu erhalten. Filamentgarne auf Siliziumkarbidbasis wurden von Yajima et al. entwickelt und 1981 von Nippon Carbon unter dem Namen Nicalon auf den Markt gebracht.
Die wichtigsten Eigenschaften von Keramikfasern sind ihre hohe Festigkeit, ihr hoher Modul, ihre Wärmeisolierung und ihre hohe Beständigkeit gegen thermische und physikalische Einwirkungen. Keramische Fasern zeigen manchmal sogar über 1800 OC und im Langzeitbetrieb eine gute Festigkeit. Keramikfasern mit kleinem Durchmesser sind als Verstärkungsmaterialien aus Metall, Glas und Keramik von Interesse.
Sie verlieren ihre mechanischen Eigenschaften in Langzeitprozessen bei Temperaturen.
Die Eigenschaften keramischer Faserverbundwerkstoffe hängen von der Beziehung zwischen den Faser- und Matrixeigenschaften und den Fasern ab. Hochmodulfasern sind im Allgemeinen spröde und haben kleine Durchmesser (10 – 20 mm). Diese Eigenschaften machen es schwierig, unbeschädigte Fasern auf verschiedene Eigenschaften zu testen.
Keramikfaserverbundwerkstoffe auf Tonerdebasis bieten eine sehr gute Abriebfestigkeit bei hohen Temperaturen.
Bei den Messungen von Keramikfasern vom Typ Aluminiumoxid/Zirkonoxid (PRD – 166) wurde ein Elastizitätsmodul von 380 Gpa und eine Zugfestigkeit von 1.2 Gpa festgestellt. Diese Faser verliert bei Temperaturen über 1400 °C sofort 35 % ihrer Festigkeit. Innerhalb der folgenden 100 Stunden tritt jedoch kein Festigkeitsverlust auf. Siliziumkarbidfaser ist normalerweise eine sehr spröde Faser.
Keramische Fasern haben aufgrund ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen, flüssigen Gasen und ihrer chemischen Beständigkeit ein breites Anwendungsspektrum.
- Verbundtechnologien, die eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und hohe Wärmedämmung erfordern
- Langfristige Wärmedämmung
- Hochtemperatur-Gasfiltration
Keramische Fasern werden häufig als Verstärkungsmaterialien in der Luft- und Raumfahrt sowie in der chemischen Industrie eingesetzt. Einer der größten Einsatzbereiche sind Metallkonstruktionen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Als Beispiel kann die Motorentechnik genannt werden. Weitere interessante Anwendungen sind Brennkammern, Oberflächenstabilisierung, Dehnungsschlitze und diverse Helme.
Viele leichte keramische Faserverbundwerkstoffe bieten eine hohe Temperaturbeständigkeit.
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