Die meisten Metalle weisen eine bemerkenswerte Hitzebeständigkeit auf. Werden sie jedoch über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt, kommt es schließlich zu Oxidation und thermischer Ermüdung. Diese Anfälligkeit ist eine häufige Ursache für den Ausfall metallischer Bauteile in Hochtemperaturumgebungen wie der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie.
Glücklicherweise helfen Wärmedämmschichten (TBCs), dieses Problem zu lösen. Diese speziellen Materialien schützen Metallkomponenten, indem sie deren Hitzeeinwirkung reduzieren, und stellen damit eine Schlüsseltechnologie für moderne Flugzeugtriebwerke dar.
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Unter den verschiedenen Wärmedämmschichtmaterialien zählen Hochleistungskeramiken aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und ihrer höheren Temperaturbeständigkeit als Metalle zu den bevorzugten Optionen. In den folgenden Abschnitten untersuchen wir die Anwendung keramischer Materialien in Wärmedämmschichten.
Was ist eine Wärmedämmschicht?
Eine Wärmedämmschicht ist ein Material, das die Einwirkung extremer Hitze auf ein Bauteil reduziert. Sie bildet eine Schutzschicht, die Maschinenteile vor hohen Temperaturen isoliert.
Wärmebeschichtungen bestehen typischerweise aus Materialien mit erhöhter Temperaturbeständigkeit, Haltbarkeit und geringer Leitfähigkeit. Diese Eigenschaften machen sie bemerkenswert effektiv bei der Steigerung der thermischen Effizienz von Geräten und der Verlängerung der Lebensdauer kritischer Teile.
Insbesondere keramische Wärmedämmschichten finden in zahlreichen Branchen breite Anwendung, von Düsentriebwerksturbinen in der Luft- und Raumfahrt über Autoabgassysteme bis hin zu industriellen Gasturbinen.
Zu den Anwendungen keramischer Beschichtungen für Automobile zählen beispielsweise die Herstellung von keramischer Autopolitur und der keramische Autolackschutz.
Doch wie funktionieren Keramikbeschichtungen? Warum sind sie in den meisten Branchen die bevorzugte Wahl für Wärmedämmschichten?
Warum eignen sich keramische Materialien gut für Wärmedämmschichten?
Mehrere Faktoren tragen zur zunehmenden Präferenz für keramische Werkstoffe in Wärmedämmschichten bei. Im Folgenden sind drei Hauptgründe aufgeführt:
Hoher Schmelzpunkt
Wie oft begegnet man geschmolzener Keramik? Wahrscheinlich nicht so oft, da keramische Materialien außergewöhnlich hohe Schmelzpunkte haben.
Die gängigsten keramischen Wärmedämmschichten bestehen aus Zirkonoxid (ZrO₂) mit Yttriumoxid (Y₂O₃) als Stabilisatoren und können Temperaturen von bis zu 1200–1250 °C standhalten, ohne zu reißen. Dies übertrifft die Leistungsfähigkeit vieler Metalle und Polymere bei weitem.
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Die Fähigkeit keramischer Werkstoffe, bei Temperaturen, bei denen die meisten Metalle verflüssigt würden, intakt zu bleiben, macht sie besonders geeignet zum Schutz von Hochtemperatur-Triebwerksteilen. Das macht sie zu idealen Wärmedämmschichten (TBCs) für Raumfährenrümpfe und Turbinengebläse von Düsentriebwerken.
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Obwohl einige Metalle einen hohen Wärmewiderstand aufweisen, sind sie ausgezeichnete Wärmeleiter und daher anfällig für Hochtemperaturkorrosion.
Andererseits sind Hochleistungskeramiken schlechte Wärmeleiter, eine wichtige Voraussetzung für effiziente Leistung in aggressiven thermomechanischen Umgebungen. Dank ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit unterliegen sie nicht der Wärmeausdehnungsspannung, die beim schnellen Erhitzen und Abkühlen von Komponenten auftritt.
Darüber hinaus können sie sich aufgrund ihrer Porosität an den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Substratmaterialien anpassen und so Abplatzungen vorbeugen.
Insgesamt trägt die geringe Leitfähigkeit von Keramik dazu bei, dass die Temperatur des Substrats auch bei extremer Hitze niedrig gehalten werden kann.
Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit
Keramik ist von Natur aus oxidations- und korrosionsbeständig und daher ideal für den Langzeiteinsatz in rauen Umgebungen geeignet.
Chemische Reaktionen aufgrund großer Hitze führen dazu, dass Metalle in Umgebungen mit hohen Temperaturen mit der Zeit zerfallen. Deshalb rosten manche Fahrzeuglacke oder verlieren ihre Leuchtkraft, wenn sie über einen längeren Zeitraum Hitze und anderen rauen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
Oxidation und Korrosion schwächen metallische Bauteile in den meisten Fällen, beeinträchtigen ihre Integrität und erhöhen das Ausfallrisiko. Keramische Wärmebeschichtungen bieten jedoch dank ihrer inhärenten Korrosionsbeständigkeit einen hervorragenden Schutz vor diesen Einflüssen.
Durch die Kombination dieser Eigenschaften übertreffen keramische Materialien in extremen thermischen Umgebungen andere Optionen wie Polymere oder Metallbeschichtungen.
Beispiele für die Funktionsweise keramischer Wärmedämmschichten in der Automobilindustrie finden Sie in diesen Cerakote-Testberichten für Autos.
Wie werden keramische TBCs angewendet?
Ingenieure haben drei grundlegende Techniken zum Auftragen keramischer Barrierebeschichtungen auf Maschinenbauteile entwickelt. Diese Methoden erfordern spezielle Geräte, um optimale Leistung und Haftung zu gewährleisten. Diese sind:
Plasmaspritzbeschichtung
Das Plasmaspritzverfahren ist die beliebteste Methode zur keramischen Wärmedämmschichtbeschichtung. Bei diesem Verfahren schmelzen Anbieter/Techniker von Wärmedämmschichten Keramikpulver mit einem Plasmabrenner und sprühen die geschmolzenen Partikel anschließend auf die Substratoberfläche.
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Mithilfe dieser Technik lässt sich auf einer Vielzahl von Materialien eine robuste, isolierende Keramikschicht erzeugen.
Das Plasmaspritzverfahren zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Haftung und ein minimales Risiko von Substratverzerrungen aus. Trotz der hohen Abscheidungsrate gewährleistet es zudem eine bemerkenswerte Flexibilität bei der Schichtdicke.
Die Vielseitigkeit dieser Methode ermöglicht die Anwendung in verschiedenen professionellen Keramikbeschichtungsanwendungen, einschließlich Autolackierungen. Der Prozess erfordert jedoch eine präzise Steuerung, um eine gleichmäßige Beschichtung der Substratoberfläche zu erzielen.
Physikalische Gasphasenabscheidung mittels Elektronenstrahl (EB-PVD)
Bei EB-PVD handelt es sich um ein nahezu identisches Verfahren wie bei der Plasmabeschichtung. Der Unterschied besteht darin, dass anstelle eines Plasmabrenners ein Elektronenstrahl zum Verdampfen der Keramikmaterialien verwendet wird, wodurch der Dampf auf dem Substrat kondensiert.
Der Hauptvorteil dieser Methode besteht darin, dass sie eine säulenförmige Struktur erzeugt, die dem TBC eine überlegene thermische Ermüdungsbeständigkeit verleiht und gleichzeitig seine mechanische Leistung verbessert.
Aufgrund der hohen Gerätekosten und anderer damit verbundener Aufwendungen ist diese Technik jedoch häufig auf hochwertige Anwendungen beschränkt. Dennoch garantiert sie Keramikbeschichtungen höchster Qualität.
Sol-Gel-Techniken
Bei der Sol-Gel-Technik wird ein flüssiger Vorläufer auf das Substrat aufgetragen. Anschließend wird dieser getrocknet und wärmebehandelt, um eine feste Keramikschicht zu bilden. Diese neuartige TBC-Anwendungsmethode bietet eine kostengünstige Alternative zu den beiden anderen Verfahren.
Aufgrund der geringeren Kosten und der einfachen Anwendung bietet diese Technik großes Potenzial für die Anwendung in der Automobilindustrie. Sie findet Anwendung in verschiedenen Anwendungsfällen bei der Herstellung professioneller Keramikbeschichtungen für Autos und hochwertiger Keramikbeschichtungen für andere Industriemaschinen.
Darüber hinaus ist die Sol-Gel-Technik aufgrund ihrer Fähigkeit, dünne, gleichmäßige Beschichtungen zu erzielen, eine vielversprechende Option für Keramikbeschichtungen auf Windschutzscheiben.
Abschließende Gedanken
Keramische Werkstoffe definieren die Anwendung von Wärmedämmschichten neu. Sie zeichnen sich durch außergewöhnliche Wärmebeständigkeit, Langlebigkeit und Oxidationsbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften machen Keramik zu unverzichtbaren Komponenten in Branchen, die zuverlässige Leistung unter extremen Bedingungen erfordern.
Der technologische Fortschritt wird zu kontinuierlichen Innovationen bei keramischen Materialien und Anwendungsmethoden führen. Dies wird zu einer stärkeren Einbindung von Keramik in Autolacke beitragen.