Wo sind die Anforderungen an Werkstoffe höher als in der Raumfahrt? Moderne Projekte wären nicht mehr realisierbar ohne den Einsatz von C/SiC Faserverbundkeramik. Sie dient als Wärmeschutzschild beim Wiedereintritt in die Atmosphäre, als Düsenwerkstoff für die am höchsten belaste-ten Teile etwa bei Triebwerkssystemen bzw. Raketenantrieben und sie findet sich in Strukturteilen wie Flügelkanten und Nasen von Raumfähren, die in besonderem Maße extremen Temperaturen ausgesetzt sind. Weitere Anwendungsfelder für C/SiC-Verbunde im einzelnen:

Schubdüsen für Flüssig- und Feststoff-Raketenantriebe | Schubsteuerklappen für Flugzeugtriebwerke | Brennkammern und Flammhalteringe für Flugzeugtriebwerke | Turbinenräder | Gasleitrohre (Zündkrümmer) | Thermische Isolationen und Thermalschutz-Kacheln | Steuerklappen und Ruder von Raumtransportern | Satelliten-Steuerdüsen

Die Entwicklung von C/SiC-Leichtgewichtstrukturen für die Optik und Lasertechnik schafft weitere Einsatzbereiche der faserverstärkten Keramik. Etwa die Herstellung von extrem leichten und hochpräzisen optischen und optomechanischen Komponenten – insbesondere optische Spiegel, Antennen, optische Bänke und Teleskopstrukturen für die Raumfahrt. Dabei reichen die Anwendungen von schnellen Laserspiegeln über große, bewegte Scanspiegel bis hin zu hochgenauen optischen Teleskopspiegeln für den infrarot, visuellen und ultravioletten Spektralbereich. Der Bedarf an derartigen hochauflösenden Systemen ist groß. Dies zeigen auch jüngste Studien auf dem Gebiet der Erdbeobachtungssensoren und anderer Projekte.

Faserverstärkte Werkstoffe eignen sich gerade für Automotoren. Derzeit wird geprüft, wie C/C bzw. C/SiC etwa für Ventilführungshülsen, Ventile und Ventilsitze verwendbar sind. Fortschritte sind hier allein schon aufgrund der Eigenschaften wie niedrige Dichte, Temperaturbeständigkeit und einstellbare Gleiteigenschaften zu erwarten. Außerdem werden im Vergleich zu Aluminium wesentlich weniger Schmiermittel verbraucht. Vielversprechend ist auch die Option auf unverwüstliche Abgaskrümmer und nahezu verschleißfreie Bremsen sowie Reibbeläge. Gleich ob für Nutzfahrzeuge oder PKW auf der Straße, ob für ICE oder Transrapid auf der Schiene – das Leistungsvermögen von C/SiC Bremsscheiben ist derzeit unübertroffen: höhere Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit, weniger Gewicht, kaum Verschleiß, besserer Komfort und hohe massenspezifische Kennwerte. Die Synergieeffekte im Gesamtfahrwerk versprechen lange Lebensdauer und geringen Wartungsaufwand.

Eine der Grundlagen technischen Fortschritts sind Wirkungsgradsteigerungen und Schadstoffreduktionen. Ziel ist ein optimaler Energieeinsatz mit möglichst wenig Verlust – im Idealfall eine Eins-zu-Eins-Energieumwandlung. Gegenstand künftiger Entwicklungen sind Systeme mit Verbrennung und Wärmeübertragung.

Die Lösung liegt in den Eigenschaften von C/SiC-Verbunden: hohe Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit gegen Säuren, Laugen und reduzierende Atmosphäre, hohe Verschleißfestigkeit, Designflexibilität sowie Gewichtsreduzierung, geringere Betriebs- und Wartungskosten und nicht zuletzt höhere Standzeiten.

Ein vielversprechendes und zugleich noch junges Einsatzgebiet für C/SiC ist die Medizintechnik. In der Endoprothethik hat sich Kohlenstoff im Verlauf der letzten 15 Jahre mehrfach als ein Werkstoff mit exzellenter Biokombatibilität erwiesen. So gehören etwa bei einem Hüftgelenkprothesenschaft Korrosionen, wie sie bei herkömmlicher Verwendung von Stahl oder Titan aufgetreten sind, der Vergangenheit an. Außerdem können derartige Schäfte auch bei zementfreier Implantation kraftschlüssig einwachsen. Der besondere Vorteil: sowohl Steifigkeit als auch Festigkeit von C/SiC lassen sich genau auf die mechanischen Kennwerte der vorhandenen Knochensubstanz einstellen. Erfolgreich sind auch aktuelle Versuche mit CMC-Platten und -nägeln bei der Osteosynthese, also bei der Heilung von Knochenbrüchen ebenso wie beim Zahnersatz. Auch beim Einsatz von ein- und zweiflügligen mechanischen Herzklappen sind C/C und C/SiC-Verbunde aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Gewebeverträglichkeit besonders gut geeignet.

Weitgehend unempfindlich gegenüber aggressiven Medien, verschleiß- und korrosionsbeständig bis zu hohen Temperaturen und schwingfest. Werkstoffe mit diesen Eigenschaften sind geradezu prädestiniert für die Anwendung in der chemischen Industrie und im Maschinenbau.

Typische Bauteile in der Chemieindustrie sind beispielsweise geordnete Packungen für Trennkolonnen, korrosionsbeständige Behälterauskleidungen, Rührer und Einleitrohre, Trageroste und Filterplatten. Mit Hilfe textiler Strukturen aus C-Fasern, z.B. Gittergeweben, können C/SiC-Gebilde mit großen offenen Oberflächen hergestellt werden.

C/C bzw. C/SiC ist der Schlüsselwerkstoff, der höchste Wirkungsgrade verspricht. Grund ist die äußerst günstige Kombination von Werkstoff-eigenschaften: hohe mechanische Festigkeit sowohl beim RT- als auch HT-Einsatz und zwar bis 2000 °C ohne Festigkeitsabfall, in Verbindung mit einer niedrigen Dichte und geringer Sprödigkeit. Deshalb wird er nicht nur in der Luft- und Raumfahrttechnik, sondern auch in der HT-Technik, im Reaktorbau und im Maschinenbau eingesetzt. CMC-Werkstoffe sind:

Schrauben, Gewindebolzen und andere Befestigungselemente | Ofenhauben | Stützkonstruktionen | Ofenisolierungen | Heizelemente | Glasgießrinnen | Strahlenschutzschilde | Schutzleisten | Chargieraufbauten und -platten | Halte- und Tragelemente | Preßmatrizen und Drucksinterwerkzeuge | Wärmetauscherkomponenten | Stütz- und Distanzringe | Ofengefäße, Tiegel und Tiegelhalterungen | Gleitringdichtungen | Chemiepumpen-Komponenten | korrosionsbeständige Heißgasleitungen u.a.

Gleich ob bei schusssicheren Westen oder Panzerungen – in Sachen balllistischer Schutz zeigen C/SiC-Verbunde verblüffende Ergebnisse: drei mal leichter und vollkommen sicher. Ermöglicht durch geringe Dichte, bessere Schadenstoleranz und eine relativ hohe Härte, die sich nach Bedarf einstellen lässt – das alles bei niedrigem Flächengewicht (< 30 kg/m²). Das Prinzip: die zur Zerpulverisierung der Keramik erforderliche Energie wird einfach zur Vernichtung der Bewegungsenergie des Projektils selbst eingesetzt. Ein Geschoss wird beim Aufprall auf eine Frontplatte zerlegt und eine konventionelle Keramikplatte zerstört. Hier bietet C/SiC den Vorteil, dass eingelagerte Fasern (analog zum Drahtglas) die zerstörte Platte (Matrix) zusammenhalten. Die Panzerung besteht aus hochverdichtetem C/SiC und einem aramidverstärkten Rücken (Backing). Sie wiegt bei gleicher Wirksamkeit ungefähr ein Drittel der Teile aus Panzerstahl.

Keine Geschwindigkeit ohne Hitze. Flugkörper, wie etwa Raketen, sind bei bis zu sechsfacher Schallgeschwindigkeit extremen Temperaturen ausgesetzt. In bodennaher Atmosphäre verursacht die Luftreibung an exponierten Stellen, wie Kanten und Spitzen Oberflächentemperaturen von über 1700 °C. Weit mehr, nämlich über 2500 °C, treten an Teilen von Flugkörpermotoren auf, deren Festtreibstoffe mit metallhaltigen Kompositen bei teilweise über 3500 °C verbrennen. Dabei müssen eine hinreichende Strukturfestigkeit, Formstabilität und Funktionalität erhalten bleiben. Bisher wurde die Strukturfestigkeit der meist metallischen Bauteile im HT-Einsatz durch Verwendung HT-beständiger Metalllegierungen, Kühlung oder thermische Isolierung realisiert – ein aufwändiges und teures Verfahren, das zudem in allen Fällen zusätzliches Gewicht erfordert. Dieses jedoch ist bei mobilem Gerät, insbesondere Flugobjekten, nachteilig. Daher sind gewichtsreduzierte Lösungen gefordert. Versuche zeigen, dass die Anfor-derungen hochtemperaturbelasteter Strukturbauteile von Flugobjekten mit leichten und temperatur- bzw. oxidationsbeständigen C/SiC-Kompo-nenten ideal zu erzielen sind.