Thema des Monats August 2009


Bild1: Aussagekräftige Visualisierung einer Wasser-Dampf-Strömung in einem sicherheitsrelavanten Bauteil bei 50-fachem Normaldruck und einer Temperatur von 264 Grad Celsius. Quelle: Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V.

Das Anforderungsprofil an Werkstoffe, die als Kabel, Drähte oder Kontakte Anwendung finden sollen, ist gerade im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften sehr vielfältig. Hochtemperaturbeständigkeit, Kaltzähigkeit oder thermische Ausdehnung – die Namen verraten es schon: Temperatur und Wärme sind häufig die entscheidenden Anforderungskriterien, wenn es darum geht, den richtigen Kandidaten für eine bestimmte Applikation zu definieren. Aktuelle Forschungsergebnisse demonstrieren, wie diese Materialcharakteristika immer besser verstanden werden und im Zuge von technischen Entwicklungen in konkrete Produkte überführt werden können.

Die thermische Ausdehnung maßschneidern

Zahlreiche Geräte aus dem Hochtechnologiebereich sind mit Komponenten und Bauteilen bestückt, die aus Werkstoffen mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebaut sind. Unter extremen Temperaturbedingungen oder durch prozessbedingte Abwärmen – diese Systemeigenschaften sind im Branchenumfeld der Messen wire und TUBE häufig anzutreffen – kann diese Tatsache zu zeit- und kostenintensitiven Ausfällen und teuren Schäden an Anlagen führen: Überhitzung, Deformation oder Bruch sind nur einige Beispiele für mögliche Schadensbilder. Eine intelligente Möglichkeit wäre es, einen Weg zu finden, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Materialien einander anzupassen.

Diesen Schritt haben Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, IPA in Stuttgart kürzlich getan. Die Materialspezialisten konnten zeigen, dass durch die Einbindung von Carbon-Nanotubes – häufig auch Kohlenstoffnanoröhrchen genannt – in die Metallmatrix der thermische Ausdehnungskoeffizient von Metallen signifikant herabgesetzt werden kann, da sich diese Materialklasse durch einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auszeichnet. Über ein pulvermetallurgisches Verfahren haben die Forscher neuartige Verbundmaterialien aus diesen Kohlenstoffnanoröhrchen und verschiedenen Metallen – beispielsweise Kupfer und Aluminium – hergestellt und erstaunliche Ergebnisse bei der Charakterisierung des Ausdehnungsverhaltens mittels dilatometrischer Methoden erhalten.

Die Auswirkungen sind überzeugend. Die deutlichsten Ergebnisse wurden durch den Zusatz von so genannten Single-Walled-Nanotubes (SWNT) erreicht. Bei einem dreiprozentigen Aluminium-Verbundmaterial konnte eine Absenkung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten um bis zu 20 Prozent gegenüber herkömmlichem Aluminium eingestellt werden – und das über einen weiten Temperaturbereich.

Die Möglichkeit der Absenkung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen durch den Zusatz von Carbon-Nanotubes wird in der Zukunft für Anwendungen favorisiert, in denen komplexe Materialkombinationen bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten müssen. Dazu zählen etwa Hochleistungsschalter, Kühlkörper, Komponenten für die elektrische Verbindungstechnik sowie Kabel und Kontakte.

Heiße Filme: Wasser-Dampf-Strömungen sichtbar machen


Bild 2: Absenkung des Thermischen Ausdehnungskoeffizienten metallischer Werkstoffe durch die Einbindung von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT). Quelle: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

In der chemischen Verfahrenstechnik, in kerntechnischen Anlagen und in nahezu allen Bereichen der Öl- und Energiewirtschaft sind Flüssigkeits-Gas-Strömungen zentraler Bestandteil von entscheidenden Prozessabläufen. Die Kenntnis der vorliegenden Strömungsvorgänge und eine Möglichkeit zu deren Analyse und Bewertung sind wichtige Parameter, um die Sicherheit von Anlagen und Verfahren zuverlässig bewerten zu können.

Bisher galt es als technisch unmöglich, Strömungsprozesse von Wasser und Dampf bei hohem Druck und bei hohen Temperaturen großflächig zu visualisieren. Es versteht sich von selbst, dass sich konventionelle Kameras hier nicht zur Bilderzeugung einsetzen lassen, da sie die verwendeten Anlagenkomponenten aus metallischen Werkstoffen nicht durchdringen können.

Wissenschaftler und Ingenieure am Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V. haben kürzlich eine neu entwickelte Versuchstechnik vorgestellt, die es erlaubt Experimente im Kontext dieser wichtigen Fragestellungen durchzuführen. Der experimentelle Aufbau zeichnet sich durch eine spezielle Kammer aus, in der die Versuchsstrecke und die Behälter-Atmosphäre im Druckausgleich stehen. Dadurch sind die in diesem Segment eingesetzten Materialien, Bauteile und Komponenten keinen hohen Druckdifferenzen ausgesetzt und können an zentralen beziehungsweise beobachtungsrelevanten Stellen mit großen transparenten Beobachtungsfenstern versehen werden. Durch den Einsatz von leistungsfähigen Hochgeschwindigkeits-Videokameras wird es an diesen Stellen möglich aussagefähiges Daten- und Bildmaterial in hoher Orts- und Zeitauflösung zu gewinnen. Partner aus aller Welt haben mit dem Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V mittlerweile Kooperationsverträge abgeschlossen, um diese Technologie für ihre Vorhaben zu nutzen. Die gewonnen experimentellen Daten dienen etwa zur Entwicklung von Strömungsberechnungsverfahren wie "Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes" und zur dreidimensionalen Strömungssimulation.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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