DE10346677B3 - Process to manufacture wok cooking vessel by hot press application of glass powder prepreg agent to textile shell - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wok aus einem Glaskeramikmatrixkomposit oder einem Glasmatrixkomposit, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The The present invention relates to a wok made of a glass-ceramic matrix composite or a glass matrix composite, and a method for its production.
Ein Wok ist ein fernöstliches Kochgeschirr mit im wesentlichen rotationssymmetrischer Form mit sphärisch oder auch asphärisch gekrümmter Fläche zur direkten Heißzubereitung von Speisen.One Wok is a Far Eastern Cookware with a substantially rotationally symmetrical shape with spherical or also aspherical curved Area to direct hot preparation of food.
Glaskeramikteile im Küchenbereich sind allgemein bekannt. Viele Haushalte verfügen über einen Herd mit einer Herdplatte aus Glaskeramik.Ceramic parts in the kitchen area are well known. Many households have a stove with a stovetop made of glass ceramic.
In Haustechnischer Anzeiger, 1. Jahrgang Nr. 9 vom 05.09.1970 sowie in Haustechnischer Anzeiger, 1. Jahrgang Nr. 11 vom 14.11.1970 wird Kochgeschirr aus Glaskeramik, und zwar eine Auflaufform, offenbart, welches eine geringe Wärmedehnung aufweist, so dass es nicht zu Wärmespannungen kommt, welche zur Rissbildung und damit zum Bruch führen könnten.In Haustechnischer Anzeiger, 1st year No. 9 dated 05.09.1970 as well in building technical indicator, 1st volume No. 11 from 14.11.1970 becomes Cookware made of glass ceramic, namely a casserole dish, disclosed which a low thermal expansion so it does not cause thermal stress comes, which could lead to cracking and thus breakage.
Die
Faserverstärktes Glas und faserverstärkte Glaskeramiken sind ebenfalls allgemein bekannt. Durch das Einbringen von anorganischen und vielfach keramischen Fasern in technische Gläser oder Glaskeramiken entstehen Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneten mechanischen, thermischen und tribologischen Eigenschaften. Insbesondere verbessert die Verstärkung des zugrunde liegenden Glases bzw. der Glaskeramik durch die Fasern in hohem Maße das Sprödbruchverhalten; die Gefahr, dass ein Bauteil plötzlich katastrophal bricht, wird daher deutlich gemindert.Fiber reinforced glass and fiber-reinforced glass-ceramics are also well known. By introducing inorganic and often arise ceramic fibers in technical glass or glass ceramics Composite materials with excellent mechanical, thermal and tribological properties. In particular, the gain of the underlying glass or the glass ceramic through the fibers to a great extent the brittle fracture behavior; the danger of having a component suddenly catastrophically breaks, is therefore significantly reduced.
Es gibt Glaskeramiken mit weitgehend parallel zueinander angeordneten Verstärkungsfasern. Bezeichnet man die Richtung der in einer Ebene angeordneten Faserachsen als x-Achse, die in der Ebene hierzu verlaufende Richtung senkrecht zu den Fasern als y-Richtung, so lässt sich eine derartige Glaskeramik nur in die y- und z-Richtung recken, nicht jedoch in die x-Richtung.It There are glass ceramics with largely parallel to each other Reinforcing fibers. Designated the direction of the arranged in a plane fiber axes as x-axis, the direction perpendicular to the plane in this direction to the fibers as y-direction, so can such a glass ceramic stretch only in the y and z directions, but not in the x direction.
Es
gibt auch Glaskeramiken, wie beispielsweise das unter dem Namen „Fortadur" seitens der Anmelderin
vertriebene Glasmatrixkomposit, bei dem die Fasern, eine Schichtenstruktur
aufweisen, d. h. bei der die Fasern in jeder Schicht, „tape" genannt, parallel
zueinander verlaufen, benachbarte Schichten jedoch um 90° oder 45° versetzte
Faserachsen aufweisen, vgl. hierzu
Bekannt sind ferner Glaskeramiken mit einer Wirrfaserarchitektur aus Kurzfasern, beispielsweise auch das oben genannte „Fortadur" in einer alternativen Ausführungsform.Known are also glass ceramics with a fiberglass architecture made of short fibers, for example, the above-mentioned "Fortadur" in an alternative embodiment.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wok aus einer Glaskeramik und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen, bei dem der Wok eine erhöhte Bruchzähigkeit und eine erhöhte Festigkeit aufweist.Of the Invention is based on the object, a wok made of a glass ceramic and to provide a method for its manufacture, in which the wok increased fracture toughness and an increased Has strength.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben.The solution This object is achieved by the features of the independent claims. Advantageous embodiments be through the dependent claims specified.
Die Lösung des oben genannten technischen Problems erfolgt durch einen Wok bestehend aus einer Matrix aus Glas oder einer Glaskeramik und darin eingebetteter Verstärkung aus anorganischen Fasern, wobei die Verstärkung in Form eines textilen Flächengebildes besteht, beispielsweise in Form eines Gewebes. Bevorzugt wird ein textiles Flächengebilde in Form eines Geleges, Gestrickes oder Filzes. Besonders bevorzugt wird die Form eines Gestrickes.The solution The above technical problem is caused by a wok consisting of a matrix of glass or a glass ceramic and therein embedded gain of inorganic fibers, the reinforcement in the form of a textile sheet exists, for example in the form of a fabric. Preference is given to textile fabric in the form of a fabric, knit or felt. Especially preferred becomes the shape of a knitted fabric.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch die Bereitstellung einer Faserarchitektur in Form eines textilen Flächengebildes die Bruchzähigkeit und Bruchfestigkeit des Woks erhöht werden kann.According to the invention was realized that by providing a fiber architecture in shape a textile fabric the fracture toughness and breaking strength of the wok increased can be.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Verstärkung in Form eines textilen Flächengebildes, insbesondere eines Gestrickes, infolge des Gewebe- bzw. Maschengefüges ein beispielsweise in x-Richtung erfolgtes Recken automatisch auch zu einer Stauchung in y-Richtung führt. Da gleichzeitig immer auch ein Verformen in z-Richtung möglich ist, führt diese Form der Faserverstärkung wunschgemäß zur Möglichkeit, komplex geformte Geometrien zu formen, und insbesondere einen Wok.Of the Invention is based on the finding that at a gain in Shape of a textile fabric, in particular a knitted fabric, as a result of the fabric or mesh structure For example, in the x direction stretching carried out automatically too a compression in the y-direction leads. Since at the same time always a deformation in z-direction is possible, leads this Shape of the fiber reinforcement as desired to the possibility forming complex shaped geometries, and in particular a wok.
Als zugrunde liegendes Matrixmaterial kann ein Borsilicatglas vorgesehen sein, beispielsweise das unter dem Markennamen DURAN seitens der Anmelderin vertriebene Borsilicatglas. Bevorzugt wird eine Matrix aus einer Glaskeramik auf Lithium-Aluminiumsilicat-Basis. Im letztgenannten Fall ist der Wärmeausdehnungskoeffizient besonders niedrig und bewegt sich im Bereich zwischen –1 ppm/K bis 5 ppm/K, was zu einem Produkt führt, das großen Temperaturschwankungen ausgesetzt werden kann, wie es insbesondere bei einem Kochgefäß der Fall ist.As the underlying matrix material may be provided a borosilicate glass, for example under the brand name DURAN by the Applicant sold borosilicate glass. Preference is given to a matrix of a glass-ceramic based on lithium aluminum silicate. In the latter case, the coefficient of thermal expansion is particularly low and ranges between -1 ppm / K to 5 ppm / K, resulting in a product which can be exposed to large temperature fluctuations, as is the case with a cooking vessel in particular.
Bei den verwendeten Fasern handelt es sich um Kurz-, Lang- und/oder Endlosfasern. Unter Langfasern sollen Fasern bis etwa 20 cm Länge verstanden werden, wohingegen Endlosfasern eine Länge > 20 cm haben. Geeignet sind beispielsweise Kohlenstoff-Fasern oder keramische Fasern, wie beispielsweise SiC-Fasern. Der Durchmesser der Faser beträgt hierbei bei Kohlenstofffasern 4–10 μm, bei SiC-Fasern 8–15 μm.at The fibers used are short, long and / or short Continuous fibers. Long fibers are understood to mean fibers up to about 20 cm in length whereas continuous fibers have a length> 20 cm. Suitable, for example Carbon fibers or ceramic fibers such as SiC fibers. The diameter of the fiber is here with carbon fibers 4-10 microns, with SiC fibers 8-15 microns.
Lang- und/oder Endlosfasern bewirken eine besonders deutliche Erhöhung der Bruchzähigkeit und der Festigkeit beim Wok. Kurzfasern sind prozesstechnisch einfacher handhabbar, erhöhen die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens und reichen aus, wenn eine moderate Erhöhung der Bruchzähigkeit und der Festigkeit ausreichend sind.Long- and / or continuous fibers cause a particularly significant increase in Fracture toughness and the strength of the wok. Short fibers are simpler in terms of process technology manageable, increase the economics of the manufacturing process and are sufficient if a moderate increase the fracture toughness and the strength are sufficient.
Es kann vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff nichtoxidische Fasern und/oder mit einem anorganischen Gleitmittel versehene oxidische Fasern aufweist. In beiden Fällen führt die Verwendung dieser Art von Fasern zu einem bruchzähen Werkstoff. Bei kohlenstoffhaltigen nichtoxidischen Fasern liegt dies daran, dass sich auf der Oberfläche der Fasern eine extrem dünne Gleitschicht mit Grafitstruktur ausbildet, welche bei starker mechanischer Belastung dazu führt, dass ein Teil der Energie für das Herausziehen, Dehnen und Zerreißen der Faser umgesetzt wird (so genannter pull-out-Effekt). Dies führt zu einer deutlich erhöhten Brucharbeit bzw. Bruchzähigkeit und Festigkeit. Gleiches gilt sinngemäß auch dann, wenn oxidische Fasern verwendet werden, deren Oberfläche zuvor mit einem entsprechenden Hochtemperatur-Gleitmittel wie z. B. Glimmer oder anderen Schichtsilicaten konditioniert wurde.It can be provided that the composite non-oxide fibers and / or provided with an inorganic lubricant oxidic Has fibers. In both cases leads the Use of this type of fiber as a fracture toughened material. At carbonaceous This is due to the fact that on the surface of the non-oxidic fibers Fibers an extremely thin Sliding layer with graphite structure forms, which in strong mechanical Burden leads to that part of the energy for the extraction, stretching and tearing of the fiber is implemented (so-called pull-out effect). This leads to a significantly increased breakage work or fracture toughness and strength. The same applies mutatis mutandis even if oxidic Fibers are used, their surface previously with a corresponding high-temperature lubricant such as As mica or other layered silicates was conditioned.
Bevorzugt wird ferner eine Verstärkung in Form eines textilen Flächengebildes, bei der sich diese nur auf der Ober- und/oder Unterseite des Woks befindet. Die dazwischen liegende, unverstärkte Glas- oder Glaskeramikschicht wird dann sozusagen kaschiert. In einer alternativen Herstellung kann das textile Flächengebilde in die heiße Glaskeramikfläche eingepresst werden.Prefers also becomes a reinforcement in the form of a textile fabric, in which this is only on the top and / or bottom of the wok. The intermediate, unreinforced glass or glass ceramic layer is then laminated so to speak. In a Alternatively, the textile fabric can be pressed into the hot glass ceramic surface become.
Diese Herstellungsweise ist prozesstechnisch einfach und sorgt dafür, dass nur dort eine Verstärkung vorliegt, wo eine Verstärkung benötigt wird. Wird beispielsweise der Wok von innen stoßbeaufschlagt, so wirkt auf der gegenüberliegenden Außenseite eine große Zugspannung, so dass an dieser Außen- bzw. Unterseite, die Bruchzähigkeit erhöht werden sollte. Dies kann insofern durch ein textiles Flächengebilde erfolgen, welches nur unmittelbar angrenzend zur Unterseite vorliegt. Für Stöße auf die Unterseite ist insofern eine Kaschierung der Innenseite des Woks vorteilhaft. Beide Maßnahmen, ob nun alternativ oder kumulativ gewählt, führen zu einem geringeren Bedarf an Verstärkungsfasern, was die Wokherstellung preiswerter macht.These Manufacturing process is simple in terms of process technology and ensures that only there a reinforcement is present where a reinforcement needed becomes. For example, if the wok impacted from the inside, then acts on the opposite outside a big Tensile stress, so that at this outer or bottom, the fracture toughness elevated should be. This can insofar by a textile fabric take place, which is only immediately adjacent to the bottom. For bumps on the underside In this respect, lamination of the inside of the wok is advantageous. Both measures, whether chosen alternatively or cumulatively, leads to a lower requirement on reinforcing fibers, which makes the Wokherstellung cheaper.
Der verfahrensmäßige Teil des oben genannten technischen Problems gelingt durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit einer Matrix aus Glaskeramik, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mit konventionellen Verfahren der Textilindustrie aus anorganischen Fasern eine Faserstruktur in Form eines textilen Flächengebildes hergestellt wird, mit diesem ein prepreg hergestellt wird, und das prepreg mittels Heißpressen verdichtet wird.Of the procedural part of the above technical problem succeeds by providing a method for producing a composite with a Glass-ceramic matrix, which is characterized in that with conventional processes of the textile industry from inorganic Fibers a fiber structure in the form of a textile fabric is made with this a prepreg, and that prepreg by means of hot pressing is compressed.
Die Herstellung der oben genannten Faserarchitektur wird mit konventionellen Verfahren der Textilindustrie oder der Papierindustrie vorgenommen, sind als solche bekannt und bilden nicht den Gegenstand dieser Erfindung. Insofern wird von deren näheren Beschreibung abgesehen.The Manufacture of the above fiber architecture is conventional Process of the textile or paper industry, are known as such and do not form the subject of this invention. Insofar is of their closer Description aside.
Mit der genannten Faserarchitektur wird nach entsprechender Dimensionierung ein prepreg hergestellt. Unter einem prepreg wird eine unverdichtete Anordnung aus einer Vielzahl mit Matrixmaterial versehenen, teilweise im gegenseitigen Kontakt befindlichen, abgelagerten Fasern verstanden; dabei können auch noch mehrere textile Flächengebilde übereinander abgelagert sein. Das prepreg weist einen hohen Porengehalt und damit 10 bis 70 % der Dichte des Endproduktes auf.With said fiber architecture is after appropriate dimensioning made a prepreg. Under a prepreg becomes an uncompressed Arrangement of a variety provided with matrix material, partially understood as being in contact with each other, deposited fibers; can do it also several textile fabrics on top of each other to be deposited. The prepreg has a high pore content and thus 10 to 70% of the density of the final product.
Eingesetzt werden kann hierbei die Suspensions-Methode, wie sie in Sambell et al. J. Mater. Sci. 7, 676 bis 681, 1972, beschrieben wurde. Bei dieser wird feines Glaspulver mit einem Binder, zum Beispiel ein Gemisch aus Alkoholen) und einem Latexbinder, versetzt bzw. getränkt. Das textile Flächengebilde wird durch dieses Matrix/Binder-Bad bzw. diese Suspension gezogen bzw.damit getränkt und dabei mit Matrixmaterial versehen.used This can be the suspension method, as in Sambell et al. J. Mater. Sci. 7, 676-681, 1972. at this will be fine glass powder with a binder, for example Mixture of alcohols) and a latex binder, added or impregnated. The textile fabrics gets through this matrix / binder bath or pulled this suspension or soaked impregnated and thereby with matrix material Mistake.
Das
Suspensions-Bad arbeitet nach dem Wirbelbettprinzip, wie es in der
britischen Patentschrift
Alternativ zur oben genannten Suspensions-Methode, auch slurry-Technik genannt, kann zur Herstellung des prepregs das textile Flächengebilde mit Glaspulver imprägniert werden oder mit einem Sol-Gel-Zusatz versehen werden.Alternative to the above suspensi Ons-method, also called slurry technique, the textile fabric can be impregnated with glass powder or provided with a sol-gel additive to produce the prepreg.
Es kann vorgesehen sein, dass die Suspension einen metallorganischen Sol-Get-Zusatz enthält. In diesem Fall wird die Sol-Gel-Technik zum Imprägnieren eingesetzt. Bei dieser wird das textile Flächengebilde durch die genannte Sol-Gel-Lösung gezogen und dann aufgewickelt, oder aber sie wird trocken abgelegt und anschließend mit der Lösung imprägniert, wobei der Imprägnierungsvorgang mehrmals erfolgen kann.It it can be provided that the suspension is an organometallic Sol-get additive contains. In In this case, the sol-gel technique for impregnation used. In this, the textile fabric is characterized by said Sol-gel solution pulled and then wound, or it is stored dry and subsequently with the solution impregnated, wherein the impregnation process can be done several times.
Das prepreg wird anschließend durch Druck- und Wärmeeinwirkung verdichtet. Dies kann durch Heißpressen erfolgen, wobei Druck und Temperatur an die Schmelztemperatur der jeweiligen Matrix angepasst wird. Typischerweise ist die gewählte Temperatur > 1000 ° Celsius und der Druck > 5 MPa . Bei diesen Prozessbedingungen wird das gesamte Glas entweder aufgeschmolzen oder aber es wird ein Sinterprozess durchgeführt, so dass im letzten Fall von einem Drucksinterprozess gesprochen werden kann.The prepreg will follow by pressure and heat compacted. This can be done by hot pressing be carried out, with pressure and temperature to the melting temperature of the is adapted to the respective matrix. Typically, the chosen temperature is> 1000 ° Celsius and the pressure> 5 MPa. In these process conditions, the entire glass is either melted or a sintering process is performed, so that in the latter case, a pressure sintering process is used can.
Für den Fall, dass eine Glaskeramikmatrix angestrebt wird, kann die Bildung von Glaskeramik aus Grünglas so erfolgen, dass die dazu nötigen Keimbildungs- und/oder Kristallisationsprozesse simultan mit der Verdichtung durch das Heizpressen erfolgen. Durch eine entsprechende Führung des Heizprozesses erfolgt die Teilkeramisierung in situ, d. h. besonders schnell und wirtschaftlich.In the case, that a glass ceramic matrix is sought, the formation of Glass ceramic made of green glass be done so that the necessary nucleation and / or crystallization processes simultaneously with densification the heating presses take place. By an appropriate leadership of the heating process the partial ceramicization takes place in situ, d. H. especially fast and economically.
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| Haustechnischer Anzeiger, 1. Jg. Nr. 11, 14.11.1970, S. 216 * |
| Haustechnischer Anzeiger, 1. Jg. Nr. 9, 5.9.1970, S. 166, 167 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108480618A (en) * | 2018-04-04 | 2018-09-04 | 嘉应学院 | The material prescription in the bottom of a pan and preparation method thereof and the non-stick pan for using the bottom of a pan |
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