Öffentlich geförderte Projekte

• AkLo-Nat: Aktivlote für niedrige Arbeitstemperaturen
• AMTEC-D: Entwicklung eines Alkalimetall-Konverters zur hocheffizienten Direktumwandlung von Wärme in elektrischen Strom
• DELTA: Entwicklung eines tubularen Dampf-Elektrolyseurs mit integrierter Kohlenwasserstoffsynthese
• Entwicklung von kostengünstigen alpha-Sialon-Werkstoffen und prototypischen Bauteilen mit gesteigerter Harte und Verschleißfestigkeit auf Basis einer wässrigen Aufbereitungstechnologie sowie kostengünstiger Siliciumnitridpulver
• ExtraHit-TC: Entwicklung und Validierung einer Herstellungsmethode miniaturisierter und langzeitstabiler Thermoelemente für extrem hohe Temperaturen über 1800 °C
• HT-Sens: Neuartige Borcarbid-Temperatursensoren für präzise Temperaturmessungen bis 2200°C, Material- und Technologieentwicklung für Hochtemperatursensoren
• Keramik im Triebwerk: Teilvorhaben geschlossene Prozesskette für die Herstellung von SiC/SiC Komponenten (Ker_Twk)
• LasCer: Generative Verarbeitung von keramischen Faserverbundstrukturen mittels Lasertechnologie
• Neue spritzgegossene Keramikelektroden auf Titanoxidbasis für Atmosphärendruck-Plasmageräte
• RoKe-TE: Entwicklung eines stromerzeugenden Wärmeübertragers mittels thermogeneratorischer Schichten für industrielle Abgasanlagen
• TE-VorClust: Sächsisches Forschungscluster – Thermoelektrik in industriellen Anwendungen
• WIDDER: Widerstandsplattendetektor

AkLo-Nat: Aktivlote für niedrige Arbeitstemperaturen

Im Rahmen des Projekts soll ein Lötverfahren für das Fügen verschiedener Keramiken und von Keramiken mit metallischen Werkstoffen entwickelt werden. Dies bietet die Möglichkeit, unikale Werkstoffeigenschaften in einem Bauteil zu vereinen. Neben der Funktionalität kann in besonderem Maße die Lebensdauer von Leichtbaukomponenten, durch die hohe mechanische und thermische Stabilität der Keramik, erweitert werden. Bisher werden relativ hohe Fügetemperaturen benötigt, die den Einsatz einer günstigen Lottechnologie für zahlreiche Werkstoffkombinationen verhindert. Herausforderungen, die es technisch zu lösen gilt, sind große Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die begrenzte thermische Belastbarkeit der Leichtmetallkomponenten. Als wesentlichen Beitrag werden Lotwerkstoffe entwickelt, die einen Fügeprozess unter 600 °C ermöglichen. Die erforderliche Anbindung der Lote an die Keramikoberfläche soll durch Zusätze, die reaktive Prozesse innerhalb des Lotes initiieren, oder eine vorausgehende Oberflächenaktivierung abgesichert werden. Anhand von Festigkeitsmessungen an Aluminiumoxidverbunden wird die erzielte mechanische Stabilität bewertet. Die Messung der Gasdichtigkeit soll klären, inwieweit das Lötverfahren für die Herstellung komplexer Komponenten der Vakuumtechnik genutzt werden kann.

Finanzierung: AiF Projekt GmbH

Projektzeitraum: Februar 2019 bis Januar 2021

Projektpartner:

• Alumina Systems GmbH
• LOT-TEK GmbH
  

AMTEC-D: Entwicklung eines Alkalimetall-Konverters zur hocheffizienten Direktumwandlung von Wärme in elektrischen Strom
 

Teilprojekt: Materialtechnische Entwicklung von Schlüsselkomponenten des Alkalimetall-Konverters

Das Ziel des Verbundvorhabens ist es, unter Nutzung neuartiger keramischer Werkstoffe und innovativer Laserverfahren einen hocheffizienten, umweltfreundlichen und wirtschaftlich wettbewerbsfähigen Alkalimetall-Konverter (Alkali-Metall-Thermo-Electrical-Converter = AMTEC) zu entwickeln. AMTEC ist eine innovative Technologie mit der Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Als Wärmequelle kann die Abwärme aus technologischen Prozessen, Wärme aus Solar-Receivern, Abwärme aus Kraftfahrzeugmotoren oder Wärme, die bei der Wasserstoffherstellung entsteht, genutzt werden. Ein AMTEC trägt somit zur effizienten Nutzung von Abwärme bei.

Das Teilprojekt des Fraunhofer IKTS trägt zur Lösung folgender Aufgabenstellungen bei:

1. Materialtechnische Entwicklung der keramischen Membran, der Kontaktierungsmatrix und der Elektroden
2. Adaptierung von Fertigungstechnologien zur Herstellung der keramischen Komponenten
3. Aufbau und Test der Membran unter einsatzrelevanten Bedingungen

Finanzierung: SAB/EFRE

Projektzeitrum: März 2017 bis Februar 2020

Projektpartner:

• Technische Universität Dresden – Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
• Technische Universität Dresden – Institut für Automobiltechnik Dresden (IAD)
• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – Institut für Fluiddynamik (HZDR)
• Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Keramik, Glas, und Baustofftechnik (IKGB)

DELTA: Entwicklung eines tubularen Dampf-Elektrolyseurs mit integrierter Kohlenwasserstoffsynthese
 

Teilprojekt: Werkstoffentwicklung und Komponentenherstellung, Protonenleiter

Das Ziel des Verbundvorhabens DELTA ist die Entwicklung einer protonenleitenden Hochtemperatur-Elektrolysezelle. Im Gesamtsystem soll hochreiner Wasserstoff elektrolytisch erzeugt und mit Kohlendioxid aus anderen Prozessen für die integrierte Kohlenwasserstoffsynthese zur Verfügung gestellt werden. Das Gesamtsystem ermöglicht somit die Umwandlung von generierter elektrischer Energie in chemische Energie und trägt zu einer zuverlässigen und kosteneffizienten Energiespeicherung bei. Gleichzeitig ermöglicht das System die Verwertung von CO₂-Emissionen.

Das IKTS arbeitet an der werkstofflichen Schlüsselkomponente des Gesamtvorhabens. Die Entwicklung effizienter und wirtschaftlich herstellbarer keramischer Protonenleiter ist werkstoffliche Voraussetzung für das Gesamtkonzept.

Aktuelle Arbeiten und Ergebnisse: Am IKTS werden protonenleitende Perovskite auf Basis von Bariumzirkonat (BaZrO₃) und Bariumcerat (BaCeO₃) hergestellt und charakterisiert.

Finanzierung: SAB/EFRE

Projektzeitraum: September 2016 bis April 2020

Projektpartner:

• Technische Universität Dresden – Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TUD-WKET)
• Technische Universität Dresden – Professur für Technische Thermodynamik (TUD-TTD)
• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf – Institut für Fluiddynamik (HZDR)
• Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Technische Chemie (TUBAF-ITC)
• Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Keramik, Glas- und Baustofftechnik (TUBAF-IKGB)

ExtraHit-TC: Entwicklung und Validierung einer Herstellungsmethode miniaturisierter und langzeitstabiler Thermoelemente für extrem hohe Temperaturen über 1800 °C

Moderne Industrieprozesse zeigen seit Jahren einen Trend zu steigenden Prozesstemperaturen. Beispielsweise die Herstellung von hochreinen Halbleiterkristallen, wie sie für Leistungs-, Konsum- oder Rechenelektronik in immer höherer Stückzahl benötigt werden, erfordern oft Prozesstemperaturen von >1600 °C. Zur optimalen und wirtschaftlichen Prozessführung sind hochexakte und zuverlässige Messapparaturen zur Temperaturüberwachung notwendig.

Ziel des Vorhabens ExtraHit-TC ist die Validierung eines Herstellungsverfahrens für hochinnovative Borcarbid-Temperatursensoren für den Einsatztemperaturbereich >1800 °C. Durch die keramischen Eigenschaften des Ausgangswerkstoffs und die gegenüber dem Stand der Technik enorme Verbesserung der Messwertauflösung bietet sich ein breites Anwendungsspektrum, vor allem für die Prozesstechnik der Hochtechnologien. Im Kerneinsatzgebiet der Kristallzucht für konventionelle und zukünftige Halbleiterwerkstoffe sind die vorliegenden Prozessanforderungen durch konventionelle Messlösungen nur unzureichend oder nicht erfüllbar. Durch das neuartige Sensorkonzept ergeben sich erstmalig Möglichkeiten zur definierten Prozesskontrolle auf deutlich höherem Niveau. Dieses eröffnet Möglichkeiten zur Optimierung von ökonomischen und ökologischen Kennwerten für solche Prozesse.

Zur Erreichung der Projektziele werden keramische Pulver zu Thermoelementschenkeln verarbeitet. Dazu sind Formgebungsverfahren, Sinterverfahren und hochtemperaturstabile Fügeverfahren zu validieren. Die realisierten Thermopaare können in Kombination mit einer innovativen Referenztemperaturstelle flexibel an spezifische Einsatzbedingungen angepasst werden und jeweils prozessoptimierte Genauigkeit, Auflösung des Messsignals oder eine Verschiebung des Messbereichs erreichen. Dazu werden mittels Dickschichttechnik Heizstrukturen auf das keramische Ausgangsmaterial appliziert. Das gesamte Sensorkonzept wird anhand resultierender Demonstratoren durch Referenzofenfahrten bei >1800 °C mit konventionellen metallischen Thermoelementen verglichen und validiert. Basierend auf den Validierungsergebnissen werden Handlungsempfehlungen zu Herstellung, Einsatz, Prüfvorschriften und Normungsbedarf des neuartigen Sensorkonzeptes formuliert.

Finanzierung: BMBF / VIP+

Projektzeitraum: August 2018 bis Juli 2021

Projektpartner: keine

HT-Sens: Neuartige Borcarbid-Temperatursensoren für präzise Temperaturmessungen bis 2200 °C, Material- und Technologieentwicklung für Hochtemperatursensoren

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines langzeitstabilen und robusten Borcarbid-Thermoelements mit herausragender Messgenauigkeit und einer Erweiterung des Messbereichs auf extrem hohe Temperaturen >2000 °C. Durch die Nutzung von hochtemperaturstabilen Borcarbidkompositen kann die Zielstellung erreicht werden. Innerhalb des Vorhabens müssen kostengünstige Technologien zur Herstellung des Hochtemperatursensors und zum Aufbau eines zuverlässigen Messsystems mit dem Sensor entwickelt werden. Für die Funktionalität eines solchen Sensorsystems sind die Kombination des eigentlichen Borcarbidsensors mit neuartigen Dickschichtelementen für die Temperatur-Referenzstelle, die Entwicklung von angepassten Messstrategien und die sensorspezifische Integration in Wärmeprozessanlagen enstscheidend. Die genannten Aufgaben werden in den geplanten Arbeitspaketen adressiert.

Am Projektende sollen mit einem gemeinsam aufgebauten Versuchssensorsystem an einem anwendungsnahen Teststand Funktionalität, überlegene Präzision bei der Temperaturerfassung gegenüber dem Stand der Technik, Einsatzfähigkeit bei  Temperaturen >2000 °C und Robustheit des Messsystems demonstriert werden.

Finanzierung: AiF Projekt GmbH

Projektzeitraum: April 2018 – März 2020

Projektpartner:

• TMG Temperaturmeßtechnik Geraberg GmbH
• XERION BERLIN LABORATORIES^® GmbH

Keramik im Triebwerk: Teilvorhaben geschlossene Prozesskette für die Herstellung von SiC/SiC Komponenten (Ker_Twk)

Zur Steigerung der Effizienz für ein umweltfreundliches Luftfahrtsystem (Flightpath 2050) sollen keramische Leichtbauwerkstoffe für thermisch höher belastbare, ungekühlte Strukturen und deren Integration, auch als hybride Sub-Komponenten im Triebwerk entwickelt werden.

Faserverstärkte Keramiken (CMC), oxidisch oder SiC/SiC, ermöglichen durch die geringe Dichte in Kombination mit hoher Temperaturstabilität Gewichtseinsparungen in den Komponenten um bis zu 40 % gegenüber metallischen Strukturen sowie eine Reduzierung des Kühlluftverbrauchs um ca. 10 %. Bei 50K höherer Einsatztemperatur über konventionellen Superlegierungen soll eine Lebensdauer von ca. 35.000 h erreicht werden. Ein wesentlicher Aspekt zur Herstellung von CMC-Bauteilen liegt in der prozesssicheren Beherrschung der Verbundwerkstoffe (AP2.2) sowie deren Endbearbeitung zur Erreichung der geforderten Bauteiltoleranzen und Integrität. Die Verfahrensweiterentwicklung schließt spanende Verfahren (bestimmte/unbestimmte Schneide), Fügeverfahren und notwendige Qualitätssicherungstechnologien ein.

Zur Erreichung der notwendigen Lebensdauer im Triebwerk sind die Adaption der Beschichtungswerkstoffe sowie die Anpassung der Beschichtungsverfahren in Wechselwirkung mit spezifischen Bauteilgeometrien erforderlich. Vor allem für die Anwendung von SiC/SiC-Werkstoffen sind Schichtsysteme essentiell (Schutz vor Oxidation, Korrosion, Erosion etc.).

Das IKTS beschäftigt sich in diesem Verbundprojekt mit den Themengebieten Faserbeschichtung, SiC/SiC-Matrix-Entwicklung und Bauteilbeschichtung.

Finanzierung: BMWi

Projektzeitraum: November 2017 bis Januar 2021

Projektpartner:

• MTU Aero Engines AG
• Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
  
• Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
• Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
• Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC