DE4329792C2 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkter Keramik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkter Keramik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus US 5 045 356 bekannt. Als Bindemittel wird eine Lösung auf Phenolbasis verwendet. Die Gasphase, die zur Abscheidung der Kohlenstoff- bzw. Keramik-Matrix nach Infiltration der Faserstruktur (CVI- Verfahren) verwendet wird, besteht aus einem Gemisch aus Kohlenwasserstoff und Wasserstoff bzw., wenn eine Siliciumcarbid-Matrix erhalten werden soll, aus einem Gemisch aus einer Siliciumchlorverbindung, einem Kohlenwasserstoff und Wasserstoff. Wenn die Faserstruktur nach dem Zersetzen des Bindemittels einen geringen Hohlraumanteil aufweist, bereitet die anschließende Abscheidung der keramischen Matrix mittels des CVI- Verfahrens aus der Gasphase aufgrund des hohen Strömungswiderstandes jedoch häufig große Probleme, wodurch es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der keramischen Matrix im Bauteil kommen kann. Im ungünstigsten Fall erfolgt nur eine Oberflächenbeschichtung der Faserstruktur.

Nach EP 0 528 336 A2 wird zur Herstellung einer faserverstärkten Keramik aus einem Garn ein Schlauch geflochten, der flach zusammengedrückt wird. Mehrere solcher zusammengedrückter Schläuche werden aufeinandergelegt und mit einem Heftfaden verbunden. Das Garn kann aus Kohlenstoffasern bestehen. Bevorzugt werden jedoch Fasern aus Polyacrylnitril verwendet, welche zu Kohlenstoffasern pyrolysiert werden, bevor die keramische Matrix durch CVI eingebracht wird. Die Polyacrylnitrilfasern können als Stapelfasern eingesetzt werden. Um ihre Verarbeitbarkeit zu verbessern, werden die Stapelfasern mit anderen Fasern, wie Baumwolle oder sich verflüchtigenden Fasern, wie Polyester-Fasern, gemischt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art, Bauteile mit einer gleichmäßig verteilten Matrix herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht in der gezielten reprodu­ zierbaren Herstellung definierter Kanäle in dem faserverstärkten Bau­ teil, die eine gerichtete Steuerung des Gasflusses und somit eine gleichmäßige definierte Verteilung der keramischen Matrix beim Verfahren zur Abscheidung der keramischen Matrix aus der Gasphase ermöglicht. Das Einarbeiten der zusätzlichen organischen Fasern, wie Aramid- oder Poly­ ethylenfasern, kann dabei in einfacher Weise direkt bei der Herstellung des Grünlings ohne nennenswerten Mehraufwand erfolgen. Durch die Anzahl, Dicke und Form der verwendeten organischen Fasern läßt sich die Art der Kanäle in dem Bauteil variieren und somit auf die Anforderungen der nachfolgenden Abscheidung der keramischen Matrix optimieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Herstellung eines Rohrgrünlings mit Hilfe der Wickeltechnik;

Fig. 2 ein aus dem Grünling von Fig. 1 entstandenes Rohr im Schnitt nach Durchführung eines Pyrolyseprozesses;

Fig. 3 einen Ausschnitt entsprechend dem Punkt III aus der Fig. 2;

Fig. 4 der Verlauf einer thermo-graphischen Analyse von Aramid;

Fig. 5 Schema zur Durchführung eines Verfahrens zur Abscheidung von ke­ ramischer Matrix aus der Gasphase angewendet am Rohr von Fig. 2;

Fig. 6 ein Grünling aus Kohlefasergewebe mit eingearbeiteten organi­ schen Fasern in vergrößerter Darstellung;

Fig. 7 eine aus dem Grünling entsprechend Fig. 6 entstandene Platte nach Durchführung des Pyrolyseprozesses und

Fig. 8 Schema zur Durchführung des Verfahrens zur Abscheidung von kera­ mischer Matrix aus der Gasphase angewendet auf die Platte nach Fig. 7.

In der Fig. 1 ist als erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, wie auf einen Graphitkern 1 Wicklungen von Kohlefasern 2 und parallel dazu von organischen Fasern aus Aramid 3 aufgebracht werden. Die Aramidfasern 3 haben etwa einen Gewichtsanteil von 5% der Kohlefasern 2. Aus den Wick­ lungen entsteht ein Rohrgrünling 4. Zur Vorfixierung der Wickelstruktur werden beide Fasermaterialien mit einem organischem Bindemittel auf Phe­ nolharzbasis beschichtet, wobei ein Bindemittelanteil von 5 bis 10 Ge­ wichts-% ausreichend ist. Nach Aushärten des Phenolharzes bei etwa 140°C ist die Herstellung des Rohrgrünlings 4 abgeschlossen. Im Anschluß daran wird ein Pyrolyseprozeß durchgeführt. Dabei wird unter Sauerstoffab­ schluß bei Temperaturen von über 400°C die organische Matrix zu Kohlen­ stoff reduziert. Gleichzeitig entstehen durch den thermischen Abbau der Aramidfasern 3 freie Kanäle, die in dem Rohrbauteil 4a erhalten bleiben. In dem in der Fig. 3 gezeigten Ausschnitt aus dem in Fig. 2 im Quer­ schnitt dargestellten Rohrbauteil 4a sind die aus den Aramidfasern 3 entstandenen Kanäle 5 zwischen den Kohlefasern 2 ersichtlich. Durch Va­ riation der Anzahl, Dicke, Form und Orientierung der Aramidfasern 3 läßt sich die Art der Kanäle 5 auf einfache Weise variieren und für die wei­ tere Verarbeitung optimieren.

Zur Veranschaulichung des thermischen Abbaus von organischen Fasern un­ ter Wärmeeinwirkung ist in Fig. 4 für Aramid das Ergebnis einer thermo- gravimetrischen Analyse dargestellt. Dabei ist auf der Ordinate das Probengewicht in % und auf der Abszisse die Temperatur in °C darge­ stellt. Man erkennt, daß für den Pyrolyseprozeß eine Temperatur von 550 bis 600°C ausreichend ist, weil bei höherer Temperatur nur noch ein geringer Gewichtsverlust stattfindet. Andere Thermoplaste oder organi­ sche Werkstoffe in Faserform haben einen ähnlichen Verlauf bei einer thermo-gravimetrischen Analyse.

Im Anschluß an den Pyrolyseprozeß wird das Rohrbauteil 4a für ein Verfahren zur Abscheidung der keramischen Matrix aus der Gasphase (CVI-Prozeß) vorbereitet. Dazu wird entsprechend Fig. 5 das Rohrbauteil 4a auf beiden Seiten mit gleichen Graphitdeckeln 6 verschlossen, die mit einem Schraubbolzen 7 mit Doppelgewinde zusammengehalten sind. An dem anderen Gehäusedeckel 6 ist eine durch einen Pfeil 8 gekennzeichnete Öffnung zum Einleiten der Gase angeordnet. Als Gase können z. B. Methan, Wasserstoff und Argon zwecks Infiltration des Rohrbauteils 4a mit Pyro-Kohlenstoff bzw. Methyltrichlorsilan, Wasserstoff und Argon zwecks Infiltration mit Siliziumcarbid verwendet werden. Die gesamte Apparatur wird anschließend auf etwa 1000°C erhitzt, wobei die durch die Poren strömende Gas­ mischung die durch die Pfeile 9 angedeutet ist, zu C/C-Verbundwerkstoff bzw. zu C/SiC-Verbundwerkstoff reduziert wird und sich als keramische Matrix in der Faserstruktur ablagert. Durch die geschaffenen Kanäle 5 ist eine gezielte und gleichmäßige Ablagerung der keramischen Matrix in dem Rohrbauteil 4a realisierbar. Die Abscheidung erfolgt zunächst bevor­ zugt in den Bereichen mit hohen Strömungsdurchsätzen (großen Kanälen 5) in der Hauptdurchflußrichtung.

In den Fig. 6 bis 8 ist als zweites Ausführungsbeispiel die Herstellung einer ebenen Platte aus faserverstärkter Keramik dargestellt. In der Fig. 6 ist die Fertigung eines Grünlings von einer besonders in der Höhe stark vergrößert dargestellten Platte 10 gezeigt. Die Platte 10 besteht aus einem Kohlefasergewebe mit Schußfäden 11 und Kettfäden 12, in die mit Hilfe der Nähtechnik organische Fasern 13 aus Aramid eingenäht sind. Der Nahtabstand sowie die Stichweite der Aramidfasern 13 werden durch die Dichte des Gewebes und dessen Dicke vorgegeben und sind bei der Her­ stellung einfach zu variieren. Zur Vorfixierung des Grünlings 10 wird das vernähte Gewebe mit einer Lösung aus einem organischen Binder auf Phenolharzbasis getränkt, wobei der Bindemittelanteil im Gewebe etwa 10 Gewichts-% beträgt. Nach Verdampfen des Lösemittels wird unter Druck das Bindemittel bei etwa 140°C ausgehärtet, womit die Herstellung des Grün­ lings 10 abgeschlossen ist. Im Anschluß daran wird der Pyrolyseprozeß durchgeführt. Dabei werden bei über 400°C unter Sauerstoffabschluß die organische Matrix und die Aramidfasern 13 zu Kohlenstoff reduziert. Gleichzeitig entstehen durch den thermischen Abbau der Aramidfasern 13 entsprechend Fig. 7 feine Kanäle 14, deren Anzahl und Form durch die Machart vorgegeben ist. Dabei entsteht das Plattenbauteil 10a.

Nach Abschluß des Pyrolyseprozesses wird die Platte 10a für das Verfah­ ren zum Abscheiden der keramischen Matrix aus der Gasphase entsprechend Fig. 8 vorbereitet. Dazu wird die Platte 10a zwischen einer oberen Plat­ te 15, einer unteren Platte 16 und zwei Rohrstücken 17 und 18, alle aus Graphit, eingespannt. Durch ein in die untere Platte 16 eingebautes Win­ kelrohr 19 wird entsprechend dem Pfeil 20 die Gaszufuhr unter Druck ein­ geleitet. Dabei kann das eingeleitete Gas nur durch die in der Platte 10a befindlichen Kanäle 14 und vorhandene Poren hindurchtreten. Die Vor­ richtung wird auf etwa 1000°C erwärmt, wobei das durch die Kanäle 14 bzw. Poren der Platte 10a strömende Gas zu Kohlenstoff bzw. Silizium­ carbid reduziert wird. Durch unterschiedliche Größe und Dichte der Kanä­ le 14 wird die Abscheidung durch gezielte Einstellung der Strömungsge­ schwindigkeiten und Durchlässigkeiten bei unterschiedlichen Plattenstär­ ken oder Webstrukturdichten gesteuert. Dadurch ist eine gleichmäßige Verteilung der keramischen Matrix in der fertigen Platte 10a gewährleistet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkter Keramik, bei dem eine Faserstruktur aus Kohlenstoffasern oder keramischen Fasern mit einem organischen Bindemittel getränkt und das Bindemittel ausgehärtet wird, das entstandene faserverstärkte Bauteil einem Pyrolyseprozeß unterworfen wird, um unter Sauerstoffausschluß bei einer Temperatur über 400°C die organische Bindemittel-Matrix zu Kohlenstoff zu reduzieren, worauf durch Abscheidung aus der Gasphase eine Kohlenstoff- oder Keramik-Matrix in dem faserverstärkten Bauteil gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die Faserstruktur ein geringer Anteil von organischen Fasern zur gezielten reproduzierbaren Herstellung definierter Kanäle mittels Pyrolyse dieser Fasern eingearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als organische Fasern Thermoplastfasern, wie Aramidfasern oder Polyethylenfasern, verwendet werden.

3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Thermoplastfasern an dem Grünling zwischen 5 und 10 Gewichts-% beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Binde­ mittel für die Tränkung des Grünlings eine Lösung auf Phenolharzbasis verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Bindemittels am Grünling zwischen fünf und zehn Gewichts-% beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Poren und Kanäle des Bauteils fließende Gasmischung aus Methan, Wasserstoff und Argon zwecks Infiltration mit Pyro-Kohlenstoff besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Poren und Kanäle des Bauteils fließende Gasmischung aus Me­ thyltrichlorsilan, Wasserstoff und Argon zwecks Infiltration mit Sili­ ziumcarbid besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration bei etwa 1000°C durchgeführt wird.