Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie stellt extrem hohe Anforderungen an die Materialleistung. Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs) gelten als wegweisende Errungenschaft der modernen Materialwissenschaft und haben sich als Schlüsselwerkstoff für hohe Leistungen etabliert. Mit herausragenden Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit, geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und Elastizitätsmodul sowie ausgezeichneter chemischer Stabilität bieten CMCs ein enormes Anwendungspotenzial in der Luft- und Raumfahrt und stehen im Fokus der aktuellen Forschung. Ein umfassendes Verständnis des aktuellen Stands und der Zukunftsaussichten von CMCs in der Luft- und Raumfahrt ist für die Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie von großer Bedeutung.
Mit der Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie strebt die Luft- und Raumfahrtforschung weiterhin nach höheren Leistungen und extremeren Umgebungen, wobei Materialien eine entscheidende Rolle spielen. Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften entwickeln sich Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe zunehmend zu einer treibenden Kraft für technologische Fortschritte in der Luftfahrt.
Ein Keramikmatrix-Verbundwerkstoff ist ein Verbundwerkstoff, der aus drei Komponenten besteht: einer Keramikmatrix, einer Verstärkung und einer Zwischenphasenschicht. Das Konzept der Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe wurde erstmals in den 1970er Jahren von Professor Roger Naslain an der Universität Bordeaux in Frankreich vorgeschlagen. Als Alternative zu herkömmlichen Metalllegierungen bieten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe zahlreiche Vorteile, die sie für verschiedene Strukturkomponenten in der Luft- und Raumfahrt geeignet machen:
Flugzeugtriebwerke, das „Herzstück“ moderner Flugzeuge, werden ständig hinsichtlich ihrer Hochtemperaturbeständigkeit, Gewichtsreduzierung und Haltbarkeit verbessert. Herkömmliche Superlegierungen auf Nickelbasis sind durch Schmelzpunkt und Dichte begrenzt und können die extremen Anforderungen an Schub-Gewichts-Verhältnis und Treibstoffeffizienz der Triebwerke der nächsten Generation kaum erfüllen. Dank ihrer überlegenen Hochtemperaturtoleranz, geringen Dichte und Thermoschockbeständigkeit entwickeln sich CMCs zu einem revolutionären Ersatz für herkömmliche Legierungen in Hot-End-Triebwerkskomponenten. Von Düsen und Verbrennungsteilen bis hin zu Turbinensektionen haben CMCs die Grenzen des Triebwerksdesigns neu definiert und Antriebssysteme zu mehr Effizienz und Umweltverträglichkeit geführt. Jüngste technische Durchbrüche signalisieren, dass die Werkstoffe für Flugzeugtriebwerke offiziell in das „Keramik-Zeitalter“ eingetreten sind.
C/SiC- und SiC/SiC-Verbundwerkstoffe verfügen über ausreichende Festigkeit, ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Thermoschockbeständigkeit unter extremen Bedingungen und eignen sich daher ideal für Hochtemperatur-Strukturteile. Beispielsweise verwendet das Flüssigkeitstriebwerk Ariane HM7 der Europäischen Weltraumorganisation C/SiC für den Düsenverlängerungsabschnitt und arbeitet bei Brennkammerdrücken von 3,5 MPa und Temperaturen von bis zu 3350 K. Die Tests unter Vollbedingungen dauerten über 1600 Sekunden. Die Leistungsüberwachung zeigte eine ausgezeichnete Ablationsbeständigkeit ohne erkennbaren Materialverlust oder Strukturabbau und übertraf damit herkömmliche ablative Materialien.
Das französische Luft- und Raumfahrtunternehmen Safran entwickelte dank bahnbrechender Entwicklungen in der Grenzflächentechnik selbstheilende CMCs, die mit Hochleistungs-SiC-Fasern und einer Oxidationsbarriere aus Bornitrid verstärkt sind und so Materialschäden in Umgebungen mit hoher Oxidationsrate erfolgreich entgegenwirken. Safran und Pratt & Whitney testeten gemeinsam ein CMC-SiC-Dichtungssegment in der Triebwerksserie F100. Es bestand 1.300 Teststunden – davon 100 Stunden bei 1.200 °C – und bewies damit eine außergewöhnliche Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen. Das neue Dichtungssegment wiegt nur 50–60 % seines metallischen Gegenstücks und bietet gleichzeitig eine bessere thermische Ermüdungsbeständigkeit und eine längere Lebensdauer.
Brennkammern sind gleichzeitig extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt, darunter Gaserosion bei hohen Temperaturen, zyklische thermomechanische Belastungen, Dampf- und Sauerstoffkorrosion sowie Thermoschocks im Millisekundenbereich. Wichtige Teile wie Flammrohre und Liner – große, dünnwandige Rotationsstrukturen – sind statisch tragende Komponenten unter mäßiger Belastung. Der sachgemäße Einsatz von CMCs kann die Hochtemperaturanpassungsfähigkeit, die strukturelle Gewichtsreduzierung und die Umweltbeständigkeit deutlich verbessern. SiCf/SiC-Liner wurden beispielsweise einer Lebenszyklusvalidierung unterzogen und finden in zahlreichen Triebwerken weltweit Anwendung. Im Rahmen des US-Programms Integrated High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET) wurden SiCf/SiC mit Umweltbarrierebeschichtungen (EBCs) für Liner getestet und erreichten 15.000 Stunden bei Temperaturen von bis zu 1.200 °C bei gleichzeitiger Reduzierung der NOx- und CO-Emissionen.
Oxid-CMCs wie Al₂O₃-basierte Verbundwerkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturwechselbeständigkeit wurden ebenfalls in Auskleidungen eingesetzt. Das Team von Professor Zok an der University of California entwickelte mittels Sol-Gel-Infiltration und In-situ-Polymerisation komplex geformte poröse CMCs auf Mullit- und Aluminiumoxidbasis, verstärkt mit Nextel 720-Fasern.
Mit zunehmenden Schub-Gewichts-Verhältnissen sind bestehende Turbinenschaufelstrukturen, Hochtemperaturlegierungen und Wärmedämmschichten hinsichtlich der Kühlleistung und mechanischen Festigkeit an Leistungseinschränkungen gerieten, was ihre Fähigkeit einschränkt, den Anforderungen an einen Betrieb mit hoher Belastung und langer Lebensdauer unter extremen Bedingungen gerecht zu werden.
Im F414-Triebwerksprojekt von GE wurden CMC-SiC-Turbinenleitschaufeln und Rotorblätter 500 volle Motorzyklen lang getestet. Im Vergleich zu herkömmlichen gekühlten Schaufeln zeigten ungekühlte SiCf/SiC-Schaufeln eine deutlich verbesserte Temperaturbeständigkeit und kamen erstmals in späteren F136-Triebwerksvarianten zum Einsatz. Die Forschung an CMC-SiC-Turbinenleitschaufeln und -rotoren wird fortgesetzt. Die US-amerikanischen EPM- und UEET-Programme entwickeln neue Keramikfasern, Schnittstellentechnologien, Matrixverdichtungsverfahren und fortschrittliche EBC-Beschichtungen.
In China produzierte die Northwestern Polytechnical University erfolgreich Hochdruck-SiC/SiC-Turbinenleitschaufeln mittels CVD, während das AECC Materials Research Institute SiCf/SiC-Turbinenleitschaufeln mittels reaktiver Schmelzinfiltration entwickelte. Die Beihang University verglich nickelbasierte Superlegierungen mit CMCs für die Niederdruckturbine des Turbofan-Triebwerks F119-PW-100 und entwickelte ein neuartiges, massives, ungekühltes Rotorblatt. Dieses innovative Blatt macht das komplexe herkömmliche Kühlsystem überflüssig, halbiert die externe Belastung der Turbinenscheibe und verbessert den Turbinenwirkungsgrad um 0,98 % bis 1,17 %.
Dank ihrer außergewöhnlichen Leistung bei hohen Temperaturen, ihres geringen Gewichts und ihrer Temperaturwechselbeständigkeit werden CMCs zu Kernmaterialien für Strukturteile von Flugzeugen, insbesondere in Hochtemperaturbereichen wie den Vorderkanten von Flügeln.
Die Flügelvorderkanten der US-amerikanischen X-37B gehörten zu den ersten, bei denen oxidationsbeständige Keramikkacheln aus monolithischen Fasern zum Einsatz kamen. Diese Kacheln kombinieren poröse Keramik auf Kohlenstoff- und Siliziumbasis und bieten so sowohl Hochtemperaturbeständigkeit als auch effiziente Isolierung. Sie halten extremen Temperaturen von bis zu 1.697 °C stand und bewahren gleichzeitig ihre strukturelle Integrität. Die Landeklappen und Höhenruder bestehen aus C/SiC-Verbundwerkstoffen mit SiC-Matrizen, die mit Kohlefasern der Güteklasse T-300 verstärkt, mittels chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) verdichtet und durch SiC-basierte EBCs geschützt sind, um der extremen aerodynamischen Erwärmung bei Geschwindigkeiten von bis zu Mach 25 standzuhalten.
Chinas Nationales Schlüssellabor für Ultrahochtemperatur-Strukturverbundwerkstoffe an der Northwestern Polytechnical University hat Durchbrüche bei der technischen Anwendung fortschrittlicher CMCs erzielt. Die selbst entwickelten Cf/SiC-Verbundwerkstoffe des Labors ersetzen kritische Hot-End-Komponenten in Flugzeugen. Durch die Optimierung des Faservorformlingsdesigns und der CVI-Prozesse gelang die integrierte Fertigung komplexer Teile wie Flügelvorderkanten und Nasenkegel, die erfolgreich in Flugzeugen eingesetzt werden.
CMC wird zunehmend auch in Rumpfrahmen eingesetzt, insbesondere dort, wo hohe Temperaturbeständigkeit und Leichtbau gefragt sind. So nutzt beispielsweise das IXV-Fahrzeug der Europäischen Weltraumorganisation ein integriertes C/SiC-Wärmeschutzsystem mit hochfesten, temperaturbeständigen CMC-Platten, um dem intensiven Plasmastrom beim Wiedereintritt standzuhalten. Die strukturelle Integrität wird durch optimierte Faserweb- und Matrixverdichtungsprozesse aufrechterhalten.
Dank ihrer hohen Temperaturbeständigkeit, geringen Dichte sowie hohen spezifischen Festigkeit und Elastizitätsmodul haben sich CMCs zu revolutionären Materialien für die Luft- und Raumfahrt entwickelt. Ihre Leistung hängt von der Keramikmatrix, der Verstärkungsart und dem Herstellungsprozess ab. Verschiedene Materialsysteme und Verarbeitungstechniken verleihen ihnen einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften und ermöglichen so eine breite Anwendung in verschiedenen Luft- und Raumfahrtkomponenten.
Allerdings ist die Anwendung im großen Maßstab noch mit Herausforderungen verbunden:
Mit der Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie wird die Nachfrage nach multifunktionalen CMCs weiter steigen und die Entwicklung von CMCs der nächsten Generation vorantreiben, die strukturelle Tragfähigkeit, Wärmeschutz, elektromagnetische Abschirmung und mehr vereinen.
