Oxidkeramische Endlosfasern und

Dipl.-Ing. Siegfried Petzold, Dipl.-Ing. Marco Morche, Dipl.-Ing. Johannes Taesler
Oxide-ceramic continuous fibres and ceramic fibre
reinforced composites – innovative materials for
the firing process
Oxidkeramische Endlosfasern und
keramikfaserverstärkte Verbundwerkstoffe –
Werkstoffinnovationen im Brennprozess
Energy conservation, efficiency and lightweight construction are future-oriented topics with a close connection to the advent of highly refractory continuous
ceramic fibres and filaments. CeraFib GmbH designs
and produces such fibres, filaments and other materials suitable for service under fluctuating temperature
conditions (up to 1350° C) and in aggressive environments under mechanical stress. These materials are
therefore ideally suited for the particular challenges of
kiln construction. CeraFib‘s advanced fibres earned the
company a nomination for the 2011 Saxon Innovation
Award.
Energieeinsparung, Effizienz und Leichtbau sind Zukunftsthemen, die eng mit der Entwicklung hochtemperaturbeständiger keramischer Endlosfasern verbunden sind. Die CeraFib GmbH entwickelt und produziert
diese Filamente und Werkstoffe, die den Anforderungen eines Einsatzes bis 1350 °C, bei wechselnden
Temperaturen und bei aggressiven Umgebungsbedingungen unter mechanischen Beanspruchungen stand
halten. Diese Werkstoffe sind auch für die speziellen
Herausforderungen im Ofenbau bestens geeignet. Für
ihre Faserentwicklungen wurde die CeraFib GmbH für
den sächsischen Innovationspreis 2011 nominiert.
1 Oxide-ceramic continuous filaments
Oxide-ceramic continuous filaments by CeraFib GmbH have
what it takes for continuous service at temperatures up to
1350° C (»1).
The market for refractory insulating material is presently
dominated by mineral fibres and short ceramic fibres based
on aluminium oxide. For high-tech applications however,
i.e., among the ceramic composites, there is urgent need
for high-performance ceramic fibres with better high-temperature ageing behaviour in oxidizing atmospheres than
that displayed by the few alumina and Al2O3/SiO2 filaments
that are presently available – and then only from sources outside of Europe. Proprietary testing has shown the creep rate
of such fibres to still be so high at temperatures between
1200° C and 1300° C that they can only be used for con-
1 Oxidkeramische Endlosfasern
Die oxidkeramischen Endlosfasern der CeraFib GmbH besitzen das Potenzial für einen Dauereinsatz bei Temperaturen
bis zu 1350 °C (»1).
Für den Einsatz als Hochtemperaturisolationsmaterial
stehen derzeit kommerziell entweder Mineralfasern oder
keramische Kurzfasern auf der Basis von Aluminiumoxid
zur Verfügung. Im Hightech-Bereich, d.h. bei keramischen
Verbundwerkstoffen, werden dringend Hochleistungskeramikfasern benötigt, die in Bezug auf das HochtemperaturAlterungsverhalten in oxidierender Atmosphäre bessere Eigenschaften besitzen als die wenigen Aluminiumoxid- bzw.
Al2O3/SiO2-Endlosfasern, die ausschließlich auf dem außereuropäischen Markt erhältlich sind. Eigene Prüfungen haben
gezeigt, dass die Kriechrate dieser Fasern im Temperaturbereich zwischen 1200 °C und 1300 °C immer noch so hoch
ist, dass ein Einsatz nur dann möglich ist, wenn mechanische
Spannungen im Verbundwerkstoff von 200 MPa nicht überschritten werden [2, 3]. Oberhalb 1300 °C findet eine relativ
schnelle Degradation durch Kornwachstum statt.
»1 Multifilament in the
heat of a gas flame [1]
»1 Multifilament unter
thermischer Beanspruchung einer Gasflamme [1]
»2 CeraFib 75 mullite fibre, individual fibre thickness 10 -12 µm
»2 CeraFib 75 Mullit-Faser, Einzelfaserdurchmesser 10 -12 µm
»Table 1 Properties of continuous fibres/filaments
»Tabelle 1 Kennwerte der Endlosfasern
CeraFib 75 mullite fibre/CeraFib 75 Mullit Faser
Chemical composition/Chemische Bestandteile
Filament diameter/Durchmesser
Filament count/titer/Feinheit/Titer Einzelfaser
Density/Dichte
Melting point/Schmelzpunkt
»3 Schematic diagram of the production process
»3 Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses
Filament Tensile strength (specific)
Zugfestigkeit (Spezifisch)
Young‘s modulus/Elastizitätsmodul
Deployable up to/Einsetzbar bis
Roving count/titer/Feinheit/Titer Roving
figurations in which the composite material is not subject to
mechanical stress levels beyond 200 MPa [2, 3]. Relatively
rapid degradation attributable to grain growth sets in above
1300° C.
Oxide filaments have specific advantages in different areas
of application. Particularly for continuous service at temperatures above 1300° C in oxidizing atmospheres, no commercially available fibre except continuous filaments is suitable.
To date, the high-mullite fibre materials now being produced and probed by CeraFib GmbH show good promise for improving the creep behaviour of oxide fibres. Two
types of fibres are presently available: “CeraFib 75“ (mullite fibre) and, alternatively, “CeraFib 99“ (corundum fibre).
Depending on the encountered mechanical load, these ceramic fibres withstand maximum temperatures of 1200° C to
1350° C while retaining high mechanical strength (tensile
strength >2000 MPa, Young‘s modulus >300 GPa). Even at
such high temperatures, the fibres continue to display these
good properties (»Table 1).
The production of continuous fibres and filaments is based
on a chemical-fibre application. In an elaborate technical pro­
cess, green fibres are converted to continuous ceramic ­fibres.
Significantly, the raw materials of this process are physiologically unobjectionable, i.e., they are used in the production of
cosmetics, for example, and they are water soluble.
»3 provides a schematic outline of the production process. The continuous fibres/filaments are bundled and then
either coiled or formed into textile fabric (area-measured material; »4). Their main field of application is as ceramic fibre
composites.
2 Ceramic fibre reinforced composites
One of the most important uses for oxide-ceramic filaments
are ceramic-fibre reinforced composites, which are classified
»4 Textile manufacturing process
»4 Textiler Verarbeitungsprozess
Al2O3: 75%
SiO2: 25 %
10–12µm
dtex 2.5
3.1 g/cm3
1 800 °C
2 200 MPa
7.1 cN/dtex
200 GPa
1350° C
dtex 1250 f 500
CeraFib 99 corundum fibre/CeraFib 99 Korund Faser
Chemical composition/Chemische Bestandteile
Filament diameter/Durchmesser
Filament count/titer/Feinheit/Titer Einzelfaser
Density/Dichte
Melting point/Schmelzpunkt
Filament Tensile strength (specific)
Zugfestigkeit (Spezifisch)
Young‘s modulus/Elastizitätsmodul
Deployable up to/Einsetzbar bis
Roving count/titer/Feinheit/Titer Roving
Al2O3: 99%
10–12µm
dtex 3.0
3.8 g/cm3
1 800° C
2 900 MPa
7.6 cN/dtex
370 GPa
1 250° C
dtex 1 500 f 500
Oxidische Endlosfasern besitzen spezifische Vorteile, die
je nach Einsatzgebiet genutzt werden können. Vor allem für
einen Dauereinsatz bei Temperaturen über 1300 °C in oxidierender Atmosphäre, für den bisher noch keine kommerziell
erhältliche Faser bekanntermaßen verfügbar ist, kommen die
Endlosfasern zum Einsatz.
Gute Ansätze zur Verbesserung des Kriechverhaltens von
oxidischen Fasern zeigen bisher vor allem die mullitreichen
Fasermaterialen der CeraFib GmbH, die Bestandteil der eigenen Forschung und Herstellung sind. Derzeit werden zwei
unterschiedliche Fasertypen angeboten, die „CeraFib 75“
(Mullit-Faser) und alternativ die „CeraFib 99“ (Korund-Faser). Diese Keramikfasern besitzen, abhängig von der mechanischen Beanspruchung, Temperaturbeständigkeiten von
1200 °C bis 1350 °C und hohe mechanische Festigkeiten
(Zugfestigkeit > 2000 MPa, Young Modul > 300 GPa). Die
Fasern behalten diese Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen bei (»Tabelle 1).
Grundlage der Herstellung der Endlosfasern ist eine Applikation aus der Chemiefaser. Die Grünfasern werden in einem
aufwändigen technischen Verfahren zu keramischen Endlosfasern verarbeitet. Bedeutsam ist der Einsatz von physiologisch unbedenklichen Rohstoffen, die unter anderem auch in
Kosmetika eingesetzt werden und wasserlöslich sind.
»3 gibt einen schematischen Überblick des Herstellprozesses. Die Endlosfasern werden im Filamentbündel auf Spulen oder in Form von textilen Flächengebilden angeboten
(»4). Das Haupteinsatzgebiet sind keramische Faserverbundwerkstoffe.
2 Keramikfaserverstärkte Verbundwerkstoffe
Eine der wichtigsten Anwendungen oxidkeramischer Endlosfasern sind keramikfaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Diese
zählen zu der Klasse der „Oxid Ceramics Matrix Composites“ (OCMC). Dabei werden die keramischen Endlosfasern
in ein keramisches Matrixsystem eingebettet. Die Faserbereitstellung erfolgt abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck
»5 Burner nozzle in
composite ceramic with
thin-walled configuration
(weight approx. 40 g;
wall thicknesses between
1 mm and 3 mm)
»5 Brennerdüse in
Verbundkeramik mit
dünnwandigem Aufbau
(Masse ca. 40 g;
Wandstärke zwischen
1 mm und 3 mm)
as “oxide ceramic matrix composites“ (OCMC) in which continuous ceramic fibres are embedded in a ceramic matrix system. Depending on the intended use, the filaments are supplied in the form of fabrics, layings or directly as rovings. The
matrix system consists of ceramic body selected to match the
fibre material and customized for the intended use. The resultant “prepreg“ (preimpregnated fibres) is then layered to
yield the envisaged component. The number of layers (of reinforcing fibres) varies from point to point in the component,
depending on the respective requisite strength level. The finished component is load/stress-appropriate despite its very
low weight. The desired component geometry is obtained
with the aid of positive or negative moulds. Subsequent drying and firing readies the component for service.
Unlike otherwise comparable components made “in one
piece“, such as conventionally cast, drawn or short-fibre-reinforced parts, those made of this kind of composite have
significantly different properties – properties which, like their
thin-walled embodiment potential, are systematically exploited. Components or parts of components that need to carry
only minimal mechanical loads can have wall thicknesses as
thin as 1 mm. That saves lots of material. »5, for example,
shows a burner nozzle with relatively thick mounting stays.
The entire nozzle, however, only weighs about 40 g. Comparable nozzles made of SiC weigh upwards of 300 g.
Moreover, the material also exhibits elastic behaviour. A
thin platelet (roughly 1 mm thick) measuring 100 x 20 mm
can withstand elastic deformation (bending) by up to 5 mm.
Atypical for monolithic ceramic material, this behaviour is
made possible by the incorporation of continuous reinforcing fibres.
Even in case of failure, thusly reinforced ceramics do not
suffer brittle fracture. The oriented continuous fibre reinforcement yields quasi-ductile failure behaviour. Failure essentially takes place in three stages, each of which is characterized by a shoulder in the stress-strain diagram [4]:
› failure of the matrix
› pull-out of fibres from the matrix
› failure (tearing) of the fibres
By contrast, short-fibre-reinforced ceramics, much like conventional, unreinforced ceramics, fail spontaneously due to
»6 Continuous fibre
reinforced composite
under thermal strain [1]
»6 Endlosfaserverstärkter
Verbundwerkstoff unter
thermischer Beanspruchung [1]
zum Beispiel in Form von Gewebe, Gelege oder direkt als
Roving. Im Matrixsystem werden, auf den jeweiligen Einsatz
abgestimmte und den Fasern materialspezifisch entsprechende, keramische Massen eingesetzt. Mit dem so entstandenen „Prepreg“ (vorimprägnierte Fasern) wird das Bauteil
schichtweise aufgebaut. Die Anzahl der Schichten (d.h. der
eingesetzten Verstärkungsfaserlagen) variiert dabei lokal im
Bauteil und wird durch die jeweils erforderliche Festigkeit
bestimmt. Somit entstehen beanspruchungsgerecht ausgelegte Bauteile mit sehr geringer Masse. Um die gewünschte
Bauteilgeometrie abzubilden, werden zum Beispiel Formkörper oder Negativformen eingesetzt. Nach dem Trocknen und
Brennen ist das Bauteil einsatzfertig.
Im Gegensatz zu vergleichbaren Bauteilen, die nur „in
einem Stück“ aufgebaut sind, wie z.B. klassisch gegossene
oder gezogene oder auch mit Kurzfasern verstärkte Bauteile, besitzt dieser Verbundwerkstoff deutlich andere Eigenschaften. Diese werden, wie der dünnwandige Aufbau,
gezielt genutzt. Wenn Bauteile oder Bauteilbereiche mechanisch nicht oder nur gering beansprucht werden, können
dort Wandstärken von minimal 1 mm Dicke realisiert werden, wodurch eine hohe Einsparung an Masse möglich ist.
»5 zeigt eine Brennerdüse, die im Bereich der Befestigungsstege eine höhere Wandstärke aufweist. Die Masse dieser
Düse beträgt ungefähr 40 g – vergleichbare Düsen aus SiC
besitzen z.B. eine Masse von über 300 g.
Außerdem weist dieser Werkstoff ein elastisches Verhalten auf. Eine dünne Platte (Stärke ungefähr 1 mm) mit den
geometrischen Abmessungen 100 x 20 mm kann bis zu 5
mm elastisch verformt (gebogen) werden. Dieses, für monolithische keramische Werkstoffe untypische, Verhalten wird
durch den Aufbau mit endlosen Verstärkungsfasern möglich.
Auch im Schadensfall versagt die verstärkte Keramik keinesfalls als Sprödbruch. Aufgrund der gerichteten Endlosfaserverstärkung entsteht ein quasiduktiles Versagensverhalten. Das Versagen erfolgt dabei im Wesentlichen in drei
Stufen, die jeweils durch einen Absatz im Spannungs-Dehnungsdiagramm deutlich werden [4]:
› Versagen der Matrix
› Auszug der Faser aus der Matrix (Pull-Out-Effekt)
› Bruch der Faser
»Table 2 Differences between continuous- and short-fibre reinforced
ceramics
»Tabelle 2 Unterschiede von endlos- und kurzfaserverstärkter Keramik
»7 Damaged burner tube (metal) after a mere six months in service
under aggressive environmental conditions »7 Beschädigtes Brennerrohr (Metall) nach einer Standzeit von nur
sechs Monaten in aggressiven Umgebungsbedingungen
brittle fracture. »Table 2 compares the main differences between ceramics reinforced with continuous fibres/filaments
and those reinforced with short fibres. Thanks to their very
good thermal stability, insensitivity to thermal cycling and
thermal shock resistance, these composites can easily contend with sustained service temperatures up to 1350° C (to
the credit of mullite fibres) as well as constant, rapid changes
in ambient conditions. »6 shows an example of filament-reinforced composites under thermal loads.
Composite ceramics also have the good corrosion resistance of oxide ceramics in general and are resistant both to
acids and bases. Consequently, they can serve in aggressive
atmospheres like that encountered in waste incineration
plants. »7 shows a damaged burner tube that had only been
in service for six months under aggressive ambient conditions. Comparable burner tube assemblies made of filament-reinforced composite material can be expected to last
more than two years under practically identically conditions.
Since, however, continuous ceramic fibres are relatively expensive, the use of ceramic composites is limited primarily to
kiln construction and burner nozzles. By way of analogy to
»7, a burner tube with a hybrid ceramic tip is shown in »12.
Composite (= hybrid) ceramics, with their superior durability
and very good thermal shock resistance, improve kiln-plant
efficiency, even for intermittently operated burners.
»8 Burner nozzle
»8 Brennerdüse
Continuous fibres
Endlosfasern
Short fibres
Kurzfasern
Fibre composite: anisotropic;
mechanical properties dependent
on quantity and orientation of
embedded fibres
Faserverbundwerkstoff: anisotrop,
die mechanischen Eigenschaften
sind abhängig von der Anzahl
und Ausrichtung der eingebetteten Fasern
Composite material: isotropic;
mechanical properties primarily dependent on thickness of
material
Faserverbundwerkstoff: isotrop,
die mechanischen Eigenschaften
werden maßgeblich durch die
Materialdicke bestimmt
Component requires minimal
amount of material for situation-appropriate implementation:
saves material and weight
Bauteil kann mit minimalem
Materialeinsatz beanspruchungsgerecht umgesetzt werden, Material- und Masseeinsparung
Component with comparable
mechanical properties weighs
considerably more than its filament-reinforced counterpart
Bauteil hat bei gleichen mechanischen Eigenschaften (vgl.
mit Endlosfasern) eine deutlich
höhere Masse
Very thin-walled designs
achievable
Sehr dünnwandige Konstruk­
tionen sind möglich
Certain minimum wall thicknesses
must be adhered to
Es müssen stets bestimmte Mindestmaterialstärken eingehalten
werden
Quasi-ductile failure behaviour:
1. interface failure between
matrix and fibre
2. fibre pull-out from matrix
3. fibres liable to break
quasiduktiles Versagensverhalten:
1. Grenzflächenversagen
zwischen Matrix und Faser
2. Faserauszug aus der Matrix
(Pull-out-Effekt)
3. Faserbruch
Spontaneous brittle-fracture
behaviour:
1. matrix breaks, but no pull-out
effect thanks to random arrangement of fibres
2. fibres liable to break
spontanes und sprödes
Versagensverhalten:
1. Matrix bricht, durch Wirrlage
der Fasern kein Pull-out-Effekt
2. Faserbruch
Im Gegensatz dazu versagt kurzfaserverstärkte Keramik
(aufgrund der Wirrlage der Fasern), wie auch die klassisch unverstärkte Keramik, spontan durch Sprödbruch. In
»Tabelle 2 sind die wesentlichen Unterschiede von endlosund kurzfaserverstärkter Keramik gegenübergestellt. Wegen
der sehr guten Temperaturstabilität, der Temperaturwechselund Thermoschockbeständigkeit stellen sowohl Daueranwendungen bis 1350 °C (auf Basis der Mullit-Faser) als auch
ständig und schnell wechselnde Umgebungsbedingungen
kein Problem für diesen Verbundwerkstoff dar. »6 zeigt ein
Beispiel eines endlosfaserverstärkten Verbundwerkstoffes unter thermischer Beanspruchung.
Auch die gute Korrosionsbeständigkeit der Oxidkeramik
generell sowie die Beständigkeit gegen Säuren und Basen sind
bei der Verbundkeramik gegeben. Somit ist ein Einsatz auch in
aggressiver Atmosphäre möglich, zum Beispiel bei der Müllverbrennung. In »7 ist ein beschädigtes Brennerrohr dargestellt,
das eine Standzeit von lediglich sechs Monaten unter aggressiven Umgebungsbedingungen überstanden hat. Vergleichbare
Brennerrohraufbauten aus endlosfaserverstärktem Verbundwerkstoff werden in der Praxis unter gleichen Bedingungen bereits mit Standzeiten von über zwei Jahren betrieben. Aufgrund
der relativ hohen Kosten für keramische Endlosfasern wird mit
nur teilweisem Einsatz von keramischen Verbundwerkstoffen
gearbeitet, insbesondere im Bereich von Ofenbau oder Brennerdüsen. »12 zeigt, analog zu »7, ein Brennerrohr mit einem
aufgesetzten Brennerkopf aus Verbundkeramik. Vor allem die
langen Standzeiten der Verbundkeramik, bei sehr guter Temperaturwechselbeständigkeit, erhöhen die Effizienz der Ofenanlage, auch bei diskontinuierlichem Brennerbetrieb.
»9 Support structure in kiln construction
»9 Trägerstruktur Ofenausbau
3 Areas of application and components
Heat protection, lightweight construction and energy conservation are future-oriented topics with a close connection
to the engineering of new materials. In their current range
of applications, metals reach their limits in certain areas involving high thermal stress, such as in kiln construction and,
most particularly, waste-gas treatment. At present, the technical limits are still defined by superalloys that can withstand
temperatures up to 1100° C but which also require effective cooling of the employed metal structures. The CeraFib
GmbH concept is based on the use of high-temperature filaments as a point of departure for uncooled composite ceramics allowing higher combustion temperatures than those
which mark the end of metals‘ heat resistance. That, in turn,
yields significant gains in efficiency and, hence, more energy
conserved and less pollutants emitted.
All these good properties and advantages of ceramic composite components make for a broad, versatile service spectrum reaching from the manufacture of long-lived burner
nozzles and support structures in industrial kilns to general
insulation applications, power engineering/generation and on
to aerospace technology and the manufacture of materials for
medical implants. A few typical examples are listed below:
3.1 Kiln construction
› long-lived burner nozzles, in particular for intermittent operation (»8)
› thin-walled insulation and linings/crust prevention plates
› hot-gas ducts and modules
› support structures (»9)
3.2 Power generation and transmission
› turbine liners and insulators
› radiation guides
› heat shields for wiring systems
3.2 Aerospace engineering
› heat shields and insulation systems for space shuttles and
launch vehicles
› reinforcing structures
› firewalls in aircraft engines
CeraFib GmbH unites competence with experience in both
the ceramic and the textile sectors and leads their customers‘
own specific requirements through in-house research and
development, production and a company sales organization:
› customerized applications engineering
»10 Draft design of an extraction tube
»10 Konstruktiver Entwurf des Entnahmerohrs
3 Einsatzgebiete und Bauteile
Hitzeschutz, Leichtbau und Energieeinsparung sind Zukunftsthemen, die stark mit der Entwicklung neuer Werkstoffe
verbunden sind. In den aktuellen Anwendungsfällen stoßen
Metalle an Grenzen, wenn es um den Einsatz in thermisch
hochbeanspruchten Bereichen geht, wie zum Beispiel im
Ofenbau und insbesondere bei der Abgasbehandlung. Derzeit
werden die technischen Grenzen durch metallische Superlegierungen markiert, die bis 1100 °C eingesetzt werden können,
wobei zusätzlich eine effektive Kühlung der verwendeten Metallstrukturen notwendig ist. Das Konzept der CeraFib GmbH
basiert auf der Verwendung hochtemperaturbeständiger
Endlosfasern und darauf aufbauender ungekühlter Verbundkeramiken, die im Gegensatz zu Metallen höhere Verbrennungstemperaturen ermöglichen. Das wiederum führt zu einer signifikanten Erhöhung der Wirkungsgrade und damit zur
Energieeinsparung und Reduzierung der Schadstoffemission.
Durch die bereits genannten Eigenschaften und Vorteile
der keramischen Verbundbauteile ergibt sich ein breites und
vielseitiges Einsatzspektrum. Dieses reicht unter anderem von
der Herstellung langlebiger Brennerdüsen und Trägerstrukturen in Industrieöfen, dem allgemeinen Isolationsbereich
über den Bereich Energietechnik/Energieerzeugung bis hin
zu Luft- und Raumfahrt und der Herstellung medizinischer
Implantatmaterialen. Im Folgenden sind einige Beispiele angeführt:
3.1 Ofenbau
› langlebige Brennerdüsen, insbesondere bei diskontinuierlichem Betrieb (»8)
› dünnwandige Isolierungen und Auskleidungen/Befallschutzplatten
› Heißgasführungen und Aggregate
› Trägerstrukturen (»9)
3.2 Energieerzeugung und Übertragung
› Turbinenauskleidungen und Isolationen
› Strahlungsführungen
› Hitzeschutz von Leitungssystemen
3.2 Luft- und Raumfahrt
› Hitzeschutz- und Isoliersysteme für wiederverwendbare
Raumgleiter und Raketen
› Verstärkungsstrukturen
› Firewalls in Flugmotoren
› needs-appropriate product design
› fibre-oriented, load-appropriate construction and
› full-custom fabrication, from prototype to series production and made-to-order articles or inventory optimization
4 Special applications
Two special applications are described below. They were
implemented for Sommer Verfahrenstechnik in Saalfeld, a
project management and engineering specialist for power
and process engineering and flue-gas cleanup/treatment. In
this particular case, a kiln was to be equipped with an oxygen monitoring system (»11). This required installation of a
special gas extraction tube for an O2 probe operating at a
flue gas temperature of 1050° C. The customer‘s specifications were as follows:
› flue gas temperature 1050° C
› chemical stability against CO, HCL and HF as flue gas constituents
› very good operational reliability
› uncomplicated installation
»11 Composite ceramic extraction tubes
»11 Entnahmerohre aus Verbundkeramik
Prior to the project, the installation had been relying on ceramic-lined metal extraction tubes. Due to differences in the
materials‘ coefficients of thermal expansion, however, the
ceramic liners repeatedly cracked and spalled. This gave rise
to the idea of making the extraction tubes out of ceramic
composite material. The employed method enables fabrication of components with intricate geometries. For example,
it was possible to form ceramic spacers directly on the tube
to reduce the load on the ceramic tube at the point of fixation, hence ensuring the required high thermal stability. The
tubing was to be installed in a horizontal attitude. Once the
draft design was OK‘d by the customer, three extraction
tubes were crafted, installed and put in operation.
In the other case, which was already mentioned above as
involving high-temperature corrosion, a flame-tube nozzle
had to be made of ceramic composite material (»12). The
finished nozzle was mounted on the old metal component.
Blast burners are not always suitable for combustion plant in
which the combustion control system calls for a defined rate
or air injection. More heat-stable burner nozzles, however,
help reduce the system-inherent purge air requirement so
far, that such burners can be used.
Die CeraFib GmbH vereint Kompetenz und Erfahrung sowohl im keramischen als auch im textilen Bereich und stellt
sich, mit eigener Forschung und Entwicklung, Produktion
und eigenem Vertrieb, den speziellen Herausforderungen
der Kunden:
› kundenspezifische Einsatzentwicklung
› anforderungsgerechte Produktgestaltung
› faserorientierte und kraftgerechte Auslegung und
› Einzelanfertigungen, vom Prototyp bis zur Serienfertigung
und Sonderanfertigungen oder Bestandsoptimierungen
4 Spezialanwendungen
Zwei Spezialanwendungen werden im Folgenden näher
beschrieben. Auftraggeber war die Firma Sommer Verfahrenstechnik, Saalfeld, spezialisiert auf Energie- und Verfahrenstechnik sowie Abgasreinigung und -behandlung. Im
konkreten Einsatzfall sollte eine Sauerstoffmessung nach
einem Brennofen erfolgen (»11). Dazu wurde ein spezielles
Gasentnahmerohr zur Aufnahme einer O2-Sonde bei einer
Rauchgastemperatur von 1050 °C benötigt. Folgende Anforderungen des Kunden waren zu berücksichtigen und zu
realisieren:
› Rauchgastemperatur 1050 °C
› chemische Beständigkeit gegen die Rauchgasbestandteile
CO, HCL, HF
› sehr hohe Betriebssicherheit
› einfache Einbausituation
»12 Flame-tube nozzle made of composite ceramic material
»12 Flammrohrmundstück aus Verbundkeramik
Bis zum Zeitpunkt der Aufgabenstellung wurden metallische
Entnahmerohre eingesetzt, die mit einer keramischen Innenbeschichtung versehen waren. Durch die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten platzte die keramische
Beschichtung wiederholt ab. So entstand die Idee, die Entnahmerohre komplett aus keramischem Verbundwerkstoff
zu fertigen. Das eingesetzte Verfahren macht es möglich,
auch komplizierte Bauteile herzustellen. So konnten am Rohr
keramische Abstandhalter angebracht werden, die zu einer
Entlastung des keramischen Rohres an der Einspannstelle
führten, um so die geforderte hohe thermische Beständigkeit zu gewährleisten. Die Rohre sollten waagerecht eingebaut werden. Nachdem der konstruktive Entwurf mit dem
Kunden besprochen war, konnten drei Stück keramische
Entnahmerohre gefertigt werden und befinden sich nun im
Einsatz.
In dem bereits beschriebenen Fall der Hochtemperaturkorrosion wurde ein Flammrohrmundstück aus keramischem
Literature/Literatur
[1] Bilder: ITCF-Denkendorf
[2] Clauß, B.: Keramikfasern – Entwicklungsstand und Ausblick;
Technische Textilien 2000, 43, 246-251
[3] Clauß, B.: Fasern und Preformtechniken zur Herstellung keramischer
Verbundwerkstoffe; Keramische Zeitschrift 2001, 53, 916–923
[4] Menges, G.; Ziegler, G.: Faserverbundwerkstoffe – Grundlagen und
Einführung in die Besonderheiten; Vortrag beim Symposium Materialforschung, Hamm, 1988
CeraFib GmbH (Ceramic Filaments and Fibres)
Though only established in 2006, CeraFib GmbH (Ceramic Filaments Fibres) has roots that reach back more than
40 years. The company‘s founder was a chemical fibre
researcher specializing in pertinent application technology with focus on textiles ranging from clothing to home
textiles and technical textiles for vehicles and power engineering. Extensive experience in cooperation projects
and development work, as well as activities in working
groups and research advisory councils at universities and
institutes eventually led to his decision to establish CeraFib GmbH in collaboration with leading research institutes
in the chemical-fibre and ceramic sectors, the objective
being to develop and produce a truly high-temperature
continuous fibre/filament.
Two partners with the prime prerequisites for engineering, producing and further improving such a product – ITCF in Denkendorf and KI Keramikinstitut in Meissen – were engaged as co-proprietors for CeraFib GmbH.
A major European concern was also enlisted as a partner
for development and raw material resourcing. With all
those qualifications and a basis including in-house pilot
facilities, a top-notch product was soon developed and in
production. CeraFib attaches utmost importance to:
› continuous further development of the product
› close cooperation with the customer for shakedown
field deployment of each respective end product pending commencement of production
› realization of new ideas in close contact with the customer
› rapid recognition and rectification of production problems at the customer‘s facility
› close contact with involved institutes to stay abreast of
all the latest insights in the field
Verbundwerkstoff gefertigt (»12). Dieses wurde auf den alten Metallkörper aufgesetzt. Bei Verbrennungsanlagen, in
denen die Verbrennungsregelung einen definierten Lufteintrag erfordert, sind Gebläsebrenner nur bedingt geeignet.
Mit dem Einsatz von thermisch stabileren Brennermundstücken können die systembedingte Spülluft reduziert und der
Brennertyp wieder eingesetzt werden.
CeraFib GmbH (Ceramic Filaments Fibres)
Die Wurzeln der 2006 gegründeten CeraFib GmbH (Ceramic Filaments Fibres) reichen mehr als 40 Jahre zurück.
Der Firmengründer war in der Forschung der Chemiefaserindustrie tätig, insbesondere in der Anwendungstechnik
und dort in der Einsatzbreite von Bekleidung über Heimtextilien bis zu technischen Textilien im Bereich Fahrzeug
und Energieerzeugung. Diese umfangreichen Kooperations- und Entwicklungsarbeiten sowie Tätigkeiten in Arbeitsgruppen und Forschungsbeiräten von Universitäten
und Instituten ließen den Entschluss reifen, mit führenden
Forschungsinstituten der Chemiefaserindustrie als auch
der keramischen Industrie die CeraFib GmbH zu gründen.
Zielstellung war es, eine hochtemperaturbeständige Endlosfaser zu entwickeln und zu produzieren.
Mit dem ITCF in Denkendorf und dem KI Keramik­
institut in Meißen wurden die Partner als Gesellschafter in
der CeraFib GmbH zusammengeführt, die die besten Voraussetzungen für die Entwicklung bis zur Produktion als
auch die spätere Weiterentwicklung hatten und haben.
Für die Entwicklung und Rohstoffbereitstellung konnte
ein großer europäischer Konzern als Partner gewonnen
werden. Mit den genannten Voraussetzungen und auf
Basis eigener Pilotanlagen war es möglich, in kurzer Zeit
ein Spitzenprodukt zu entwickeln und zu produzieren.
Dabei wird Wert gelegt auf
› eine ständige Weiterentwicklung des Produktes
› enge Zusammenarbeit mit den Kunden bei der Einsatz­
entwicklung des jeweiligen Endproduktes bis zur Pro­
duktionsaufnahme
› Realisierung neuer Ideen im engen Kontakt zum Kun­den
› schnelle Erkennung und Behebung bei auftretenden
Problemen in der Produktion beim Kunden
› engen Kontakt zu den genannten Instituten, um über
neueste Erkenntnisse auf dem Gebiet informiert zu sein
CeraFib GmbH
An der Stadtgrenze 6A I 02785 Olbersdorf I Germany
Büro-Meißen
Ossietzkystraße 37a I 01662 Meißen I Germany
T +49 (0) 35 21 46 35 08 I F +49 (0) 35 21 46 35 16
[email protected] I www.cerafib.de