Joint project
MEO-TBCs - Multikomponentige äquiatomare Oxide als Hochleistungsmaterialien für zukünftige Wäremedämmschichten
Funder: Federal Ministry of Research, Technology and Space, former: Federal Ministry of Education and Research
Period: 2022-2026
Detailed description:
Keramische Materialien, die als Wärmedämmschichten auf den metallischen Materialien in den heißesten Zonen aufgebracht sind, spielen im Turbinenbau eine zentrale Rolle bei der Steigerung der Effizienz. Durch den Einsatz der Wärmedämmschichten können Verbrennungstemperaturen in den Turbinen oberhalb der Schmelztemperaturen der metallischen Werkstoffe erreicht werden. Durch eine weitere Erhöhung der Verbrennungstemperatur kann der Wirkungsgrad und damit die Effizienz der Turbine noch erhöht werden. Hierin liegt das größte Einsparpotential, da neue nachhaltige Antriebstechnologien, wie sie im Automobilbereich bereits ihre Anwendung finden, in der Luftfahrtbranche noch längst nicht bis zur Marktreife entwickelt sind bzw. Verbrennungsturbinen nicht ersetzen können.
Die bisher eingesetzte Keramik aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid ist oberhalb von 1200 °C im Langzeiteinsatz jedoch nicht temperaturbeständig. Eine Alternative, die allen Anforderungen an eine Wärmedämmschicht genügt, wurde bisher noch nicht gefunden. Die Anforderungen sind hoch: Stabilität bei hohen Temperaturen, niedrige Wärmeleitfähigkeit, angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient, thermische Wechsellastfähigkeit, Korrosionsresistenz und gute mechanische Eigenschaften.
Im innovativen NanoMatFutur-Projekt „MEO-TBCs“ von Prof. Dr.-Ing. Maren Lepple wird eine neue vielversprechende keramische Materialklasse, die sogenannte multikomponentige äquiatomare Oxide, oder auch Hochentropie-Oxide, untersucht. Für Metalle sind solche Legierungen, die Hochentropie-Legierungen genannt werden, bereits bekannt. Sie werden für die unterschiedlichsten Anwendungen erforscht, da sie im Vergleich zu anderen Legierungen besondere Eigenschaften aufweisen. Es wird daher angenommen, dass die in diesem Projekt untersuchten Oxide ebenfalls erfolgsversprechende Eigenschaften aufweisen, wie geringe Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturstabilität. Das besondere an den Hochentropie-Oxiden ist, dass sie aus verschiedenen Metallkationen bestehen. Durch die Mischung verschiedener Atome kann zum einen die Wärmeleitfähigkeit reduziert werden, zum anderen kann dadurch die Entropie erhöht werden, die Materialien bei hohen Temperaturen stabilisiert. Dies sind bereits zwei wichtige Anforderungen, die Wärmedämmschichten erfüllen müssen. Durch die Variationsmöglichkeiten in der Zusammensetzung können weitere Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Dies macht diese neue Materialklasse vielversprechend für die Anwendung in Wärmedämmschichten.
Im Forschungsvorhaben MEO-TBCs wird das Potential dieser neuen Materialklasse als Hochleistungsmaterial für zukünftige Wärmedämmschichten untersucht. Zunächst werden die vielversprechendsten Verbindungen systematisch synthetisiert und auf thermische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit geprüft. Anschließend werden die anwendungsrelevanten mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsresistenz untersucht. Das Projekt wird durch Industriepaten aus dem Turbinenbau begleitet. So wird der Transfer der Ergebnisse in die Anwendung beschleunigt.
Keramische Materialien, die als Wärmedämmschichten auf den metallischen Materialien in den heißesten Zonen aufgebracht sind, spielen im Turbinenbau eine zentrale Rolle bei der Steigerung der Effizienz. Durch den Einsatz der Wärmedämmschichten können Verbrennungstemperaturen in den Turbinen oberhalb der Schmelztemperaturen der metallischen Werkstoffe erreicht werden. Durch eine weitere Erhöhung der Verbrennungstemperatur kann der Wirkungsgrad und damit die Effizienz der Turbine noch erhöht werden. Hierin liegt das größte Einsparpotential, da neue nachhaltige Antriebstechnologien, wie sie im Automobilbereich bereits ihre Anwendung finden, in der Luftfahrtbranche noch längst nicht bis zur Marktreife entwickelt sind bzw. Verbrennungsturbinen nicht ersetzen können.
Die bisher eingesetzte Keramik aus stabilisiertem Zirkoniumdioxid ist oberhalb von 1200 °C im Langzeiteinsatz jedoch nicht temperaturbeständig. Eine Alternative, die allen Anforderungen an eine Wärmedämmschicht genügt, wurde bisher noch nicht gefunden. Die Anforderungen sind hoch: Stabilität bei hohen Temperaturen, niedrige Wärmeleitfähigkeit, angepasster thermischer Ausdehnungskoeffizient, thermische Wechsellastfähigkeit, Korrosionsresistenz und gute mechanische Eigenschaften.
Im innovativen NanoMatFutur-Projekt „MEO-TBCs“ von Prof. Dr.-Ing. Maren Lepple wird eine neue vielversprechende keramische Materialklasse, die sogenannte multikomponentige äquiatomare Oxide, oder auch Hochentropie-Oxide, untersucht. Für Metalle sind solche Legierungen, die Hochentropie-Legierungen genannt werden, bereits bekannt. Sie werden für die unterschiedlichsten Anwendungen erforscht, da sie im Vergleich zu anderen Legierungen besondere Eigenschaften aufweisen. Es wird daher angenommen, dass die in diesem Projekt untersuchten Oxide ebenfalls erfolgsversprechende Eigenschaften aufweisen, wie geringe Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturstabilität. Das besondere an den Hochentropie-Oxiden ist, dass sie aus verschiedenen Metallkationen bestehen. Durch die Mischung verschiedener Atome kann zum einen die Wärmeleitfähigkeit reduziert werden, zum anderen kann dadurch die Entropie erhöht werden, die Materialien bei hohen Temperaturen stabilisiert. Dies sind bereits zwei wichtige Anforderungen, die Wärmedämmschichten erfüllen müssen. Durch die Variationsmöglichkeiten in der Zusammensetzung können weitere Eigenschaften gezielt eingestellt werden. Dies macht diese neue Materialklasse vielversprechend für die Anwendung in Wärmedämmschichten.
Im Forschungsvorhaben MEO-TBCs wird das Potential dieser neuen Materialklasse als Hochleistungsmaterial für zukünftige Wärmedämmschichten untersucht. Zunächst werden die vielversprechendsten Verbindungen systematisch synthetisiert und auf thermische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit geprüft. Anschließend werden die anwendungsrelevanten mechanischen Eigenschaften und die Korrosionsresistenz untersucht. Das Projekt wird durch Industriepaten aus dem Turbinenbau begleitet. So wird der Transfer der Ergebnisse in die Anwendung beschleunigt.
Coordinating organisation / Consortium Leader
- University of Giessen
Cooperation partners with funding
- University of Giessen
