DE69514013T2

DE69514013T2 - Verstärkung für Verbundwerkstoff und diese verwendender Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69514013T2
Application number: DE69514013T
Authority: DE
Inventors: Yoshikatu Harada; Shinji Kajii; Yasuo Matsumori; Mitsuhiko Sato; Makoto Tamura; Takemi Yamamura
Original assignee: RES INST OF ADVANCED MATERIAL
Current assignee: RES INST OF ADVANCED MATERIAL
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1995-01-19
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2015-01-20
Also published as: EP0668363A1; US6117534A; EP0668363B1; DE69514013D1; CA2140397A1; US6004671A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

(Gebiet der Erfindung)

Diese Erfindung betrifft eine Verstärkung für Verbundwerkstoffe, metallische Verbundwerkstoffe und keramische Verbundwerkstoffe. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Verstärkung für Verbundwerkstoffe, die als ein Verstärkungsmaterial zweckmäßig in Kombination mit hochschmelzenden Titanlegierungen oder verschiedenen Keramiken ist, um Metallmatrixverbündwerkstoffe (nachfolgend als MMC abgekürzt) oder Keramikmatrixverbundwerkstoffe (nachfolgend als CMC abgekürzt), metallische Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Eigenschaften und keramische Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften zu schaffen.

(Beschreibung des Standes der Technik)

Verschiedene Werkstoffe, die ausgezeichnete Wärmebeständigkeit und mechanische Eigenschaften aufweisen, sind bisher zur Verwendung auf dem Gebiet der Raumfahrt und der Luftfahrt entwickelt worden. Typische vorgeschlagene Werkstoffe umfassen Metallmatrixverbundwerkstoffe (MMC) und Keramikmatrixverbundwerkstoffe (CMC).
Eine unten beschriebener Verbundwerkstoff (1) kann als Beispiel eines MMC beschrieben werden.
(1) Der Verbundwerkstoffe ist durch Verwendung einer α+β Titanlegierung, z. B. Ti-6Al- 4V, oder einer α+β Titanlegierung, z. B. Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, als Matrix und SiC/C Verbundfaser als Verstärkung gebildet worden. Die obenerwähnten Titanlegierungen sind Stahl, Superlegierungen oder wärmebeständigen, eutektischen Legierungen bezüglich der spezifischen Festigkeit, des spezifischen Moduls und der Korrosionsbeständigkeit überlegen und weisen auch eine höhere Arbeitstemperaturgrenze (z. B., 723K) als Aluminiumlegierungen auf. Die SiC/C Verbundfaser, die oben erwähnt wurde, umfaßt einen Kohlenstoffaserkern, auf dem SiC durch chemische Dampfabscheidung (CVD) abgeschieden ist. Beispielsweise wird die SiC/C Verbundfaser, hergestellt von Textron Co. sehr weit verbreitet verwendet.
Es ist berichtet worden, daß der Verbundwekstoff (1) eine hohe Qualität aufgrund der Verwendung von SiC/C Verbundfaser zeigt, die ihre volle Leistung als Verstärkung ausübt, wenn sie mit der obenerwähnten Titanlegierung kombiniert wird (sie The Journal of the Japan Society of Composite Materials, Bd. 17, Nr. 1, S. 25 in S. 24-31 (1991)).
In dem Fall, wenn irgendeine andere wärmebeständige Faser, z. B. Kohlenstoffaser (z. B., Kohlenstoffaser auf der Grundlage von PAN oder Pech), Al&sub2;O&sub3; Faser (z. B. Erzeugnisse hergestellt von E. I du Pont de Nemours & Co., Inc., 3M Co., und Sumitomo Chemical Co., Ltd.), SiC Faser (z. B., "Nicalon", hergestellt von Nippon Carbon Co., Ltd.), Si-Ti-C-O Faser (z. B., "Tyranno Fiber", hergestellt von Ube Industries Ltd.), Faser auf Si-C-N Grundlage (z. B. "HPZ Faser", hergestellt von Dow Corning Corp.) oder Si&sub3;N&sub4; Faser (z. B. ein von Ionen K. K. hergestelltes Erzeugnis) als Verstärkung statt der SiCIC Verbundfaser verwendet wird, wird sie einer merklichen Reaktion mit der oben beschriebenen Titanlegierung beim Verbundschmelzen in einem Maße ausgesetzt, das sich entsprechend der Art der Faser ändert. Als Ergebnis wird keinerlei Verstärkungswirkung erzeugt, oder, selbst wenn das Maß der Verschlechterung durch die Reaktion klein sein mag, können wesentliche Verstärkungswirkungen nicht erhalten werden, so daß das sich ergebende Verbundmaterial versagt, eine ausreichende Qualität zur Verwendung auf dem Gebiet der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie zu zeigen.
Jedoch weist das Verbundmaterial (1) Nachteile (a) und (b) auf wie folgt:
(a) Da der Kohlenstoffaserkern und das ihn umgebende SiC in der Verstärkung in bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten sehr verschieden sind, besitzt die SiC/C Faser merklich schlechte Wärmeermüdungseigenschaften (Beständigkeit gegenüber einer Ermüdung wiederholter Wechsel zwischen niedriger Temperatur und hoher Temperatur). Deshalb weist die SiC/C Faser eine unzureichende Zuverlässigkeit zur Verwendung als eine Verstärkung in Bauteilen für hohe Temperatur auf
(b) Da die SiC/C Faser durch CVD hergestellt wird, ist sie so teuer (zumindest Yen 1.000.000/kg), daß die Anwendung auf besonderem Militärverwendungen begrenzt ist, wo keine Kostenüberlegungen verlangt werden. Beider Luftfahrtindustrie sind Kosten ein tägliches Problem. Wenn man einen annehmbaren Preis für Verstärkungen betrachten, so sind die Kosten von Verstärkungen maximal Yen 200.00/Kg bis Yen 300.000/kg: Somit ist die SiC/C Faser unzweckmäßig.
MMC umfaßt auch den Verbundwerkstoff (2), der unter Verwendung einer intermetallischen Verbindung als Matrix, die wärmebeständiger als die Titanlegierungen ist, die bei (1) oben verwendet wurden, wie Ti&sub3;Al, TiAl oder Nb&sub3;Al, und SiC/C Faser als Verstärkung gebildet ist, wobei die Verschlechterung durch die Reaktion bei der Verbundformung wie bei (1) berücksichtigt wird.
In der gegenwärtigen Lage bringt die SiC/C Faser in dem Verbundmaterial (2) jedoch weiterhin das Problem einer Verschlechterung durch Reaktion zur Zeit der Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit sich, so daß sie versagt, ihre Leistung in dem von dem Verbundwerkstoff (1) gezeigten Maß zu zeigen.
Der bisher vorgeschlagene MMC umfaßt ferner die unten beschriebenen Verbundwerkstoffe (3) und (4).
(3) Der Verbundwerkstoffwird gebildet, indem eine Aluminiumlegierung (z. B. A6061, A2024 oder A1070) als eine Matrix und SiC/C Faser (z. B. ein Erzeugnis von Textron Co.) (siehe The Journal of the Japan Society of Composite Materials, Bd. 17, Nr. 1, S. 25 (1991)), Al&sub2;O&sub3; Faser (z. B. ein Produkt der Sumitomo Chemical Co., Ltd.) (siehe Kobunshi Gakkai (Herausgeber), Kobunshi Shinsozai Binran, S. 463, Maruzen (1989)) Kohlenstoffaser (z. B. Tetsu no Ko, Bd. 75, Nr. 9. S 41-48 (1989)) oder SiC Faser (z. B. "Nicalon", hergestellt von Nippon Carbon Co. Ltd.) (siehe Kobunshi Gakkai (Herg.), Kobunshi Shinsozai Binran, S. 472, Maruzen (1989)) als Verstärkung verwendet wird. Jedoch ist der Verbundwerkstoff (3), der SiC/C Faser verwendet, von Nachteil dahingehend, daß die Verstärkungsfaser teuer und bezüglich der Wärmeermüdungseigenschaft beträchtlich schlechter ist, obgleich bei niedriger Temperatur eine hohe Festigkeit erhalten wird. Der Verbundwerkstoff, der Kohlenstoffaser verwendet, ist dahingehend von Nachteil, daß er gegenüber eine oxidierenden Atmosphäre bei 200ºC oder höher während einer langen Zeit nicht beständig ist und eine unzureichende Korrosionsbeständigkeit aufgrund der Leitfähigkeit der Faser aufweist. Des weiteren reagiert eine Al&sub2;O&sub3; Faser oder eine SiC Faser mit einer Aluminiumlegierung, z. B. mit A6061 oder A2024, die die zweckmäßigste als Matrix ist, beim MMC Formen, und leidet somit unter einer Verschlechterung, wodurch er versagt, ausreichend Verstärkungswirkungen zu zeigen. Als Ergebnis sind die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs, der diese Fasern verwendet, weit unter deniheoretischen Werten (ROM Werte).
(4) Ein Verbundwerkstoff, der unter Verwendung einer Magnesiumlegierung (z. B. ZE41 oder AZ91) als Matrix und von SiC/C Faser als Verstärkungsmaterial (siehe The Journal of the Japan Society of Composite Materials, Bd. 17, Nr. 1, S. 26 (1991)) gebildet wird. Ähnlich dem Verbundmaterial (3) ist das Verbundmaterial (4) hinsichtlich der Wärmeermüdungseigenschaften merklich schlechter, während bei niedriger Temperatur eine hohe Leistung gezeigt wird.
Es ist auch ein MMC vorgeschlagen worden, der aus einer Magnesiumlegierung und anorganischer Faser, die von SiC/C Faser verschieden ist, wie Al&sub2;O&sub3; Faser oder SiC Faser, zusammengesetzt ist. Jedoch kann, da eine merkliche Reaktion zwischen der Faser und der Magnesiumlegierung bei der Herstellung von MMC auftritt, die die Faser verschlechtert, die Faser nicht ihre volle Leistung ausüben.
CMC Werkstoffe, die bis heute vorgeschlagen worden sind, enthalten Verbundwerkstoffe (5) bis (8), die unten gezeigt sind.
Si-Ti-C-O Faser (z. B. "Tyranno Faser", von Ube Industries, Ltd. hergestellt) und SiC Faser (z. B. "Nicalon", hergestellt von Nippon Carbon Co., Ltd.) werden am weitesten verbreitet als Verstärkung in herkömmlichem CMC Werkstoff wegen ihrer Wärmebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Qualitätsstabilität (Massenprodukt und im Handel erhältlich) verwendet.
(5) Ein Verbundwerkstoff, der unter Verwendung von Nicalon als Verstärkung und Li&sub2;O&sub3;·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; (LAS-I, Glaskeramik) als Matrix (siehe J. Mater. Sci., Bd. 17 S. 2371- 2383) gebildet wird.
(6) Ein Verbundwerkstoff, der unter Verwendung von Nicalon 2D Textilerzeugnis (ebenes Gewebe) als Verstärkung und SiC, hergestellt durch chemische Dampfimprägnierung (CVI) (siehe Am. Ceram. Soc. Bull., Bd. 65, Nr. 2., S. 336-338 (1986)), gebildet wird.
(7) Ein Verbundwerkstoff, der unter Verwendung von Tyranno 3D Textilerzeugnis als Verstärkung und SiC, hergestellt durch eine CVI, als eine Matrix (siehe The Japan Society of Mechanical Engineers (Herg.), Das 70-te JSME Frühlingsjahrestreffen (I) 1993-3.31 bis 4.2, S. 163-166) hergestellt wird.
(8) Ein Verbundwerkstoff, der unter Verwendung von Tyranno Faser als Verstärkung und Glaskeramik (d. h., die obenerwähnte LAS, BaO-MgO-Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; oder CaO- Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2;) als eine Matrix gebildet wird.
Die oben beschriebenen Verbundwerkstoffe (5) bis (8) weisen die folgenden Eigenschaften auf.
Der Verbundwerkstoff (5) besitzt als ein unidirektionaler (0º), verstärkter Verbundwerkstoff eine maximale Biegefestigkeit von 900 MPa und einen äußerst hohen K1c (Bruchfestigkeitswert) im Bereich von 17 bis 25 MPa m auf (der K1c von allgemeinen SiC Formungen ist 3 bis 5 MPa m und der von allgemeinen Si&sub3;N&sub4; Formungen ist 7 bis 9 MPa m).
Der Verbundwerkstoff (6) hat einen äußerst hohen K1c von ungefähr 27 MPa m.
Der K1c des Verbundwerkstoffs (7) ist noch höher als der des Verbundwerkstoffs (6) und wird auf 50 MPa m oder höher aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve bei einer Zugfestigkeitsmessung geschätzt. Die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs (7) ist 400 MPa was das Doppelte derjenigen des Verbundwerkstoffs (6) (200 MPa) ist. Berücksichtigt man die dreidimensionale Struktur (3D) und den Faservolumenanteil (Vf) von 40 Vol.%, so ist der obige K1c Wert nahe dem theoretischen Wert (d. h. Faserfestigkeit 3000 MPa/3 x 0,4 = 400 MPa).
Der Verbundwerkstoff (8) zeigt eine merklich verbesserte Festigkeit verglichen mit dem Verbundwerkstoff (1).
Nichtsdestotrotz haben die Verbundwerkstoffe (5) bis (8) die folgenden Nachteile.
Bei dem Verbundwerkstoff (5) ist, da Nicalon und LAS etwas bei der Herstellung des CMC reagierten, die Festigkeit niedriger als der theoretische Wert (ROM: 1400 bis 1500 MPa in diesem Fall). Der aus der mechanischen Eigenschaft der Faser und dem Faservolumenanteil (Vf) in dem CMC erhalten wird.
Bei dem Verbundwerkstoff (6) wird die Faser aufgrund einer zu starken Bindung zwischen Nicalon und SiC brüchig, so daß der Verbundwerkstoff eine Biegefestigkeit von 300 bis 400 MPa und eine Zugfestigkeit von 200 MPa aufweist, die viel niedriger als die theoretischen Werte sind (maximal 1200 MPa).
Die Oxidationsbeständigkeitstemperatur der Verbundwerkstoffe (5) und (6) ist von 1000 bis 1200ºC und die der Verbundwerkstoffe (7) und (8) ist von 1200 bis 1300ºC. Die Verbundwerkstoffe (5) bis (8) sind deshalb im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit unzufriedenstellend, die von einem fortschrittlichen Werkstoff verlangt werden, de gegenüber äußersten Bedingungen in der zukünftigen Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie beständig ist.
Die Entwicklung von CMC unter Verwendung einer von Glaskeramik oder von durch CVI gebildetem SiC verschiedenen Matrix, die eine hohe Porosität aufweist, wie sie in den Verbundwerkstoffen (5) bis (8) verwendet wird, ist erwartet worden, d. h., Si&sub3;N&sub4; mit einer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit oder hochwärmebeständiges SiC, das durch gewöhnliches Sintern gebildet ist. Jedoch benötigt die Herstellung von CMC unter Verwendung von Si&sub3;N&sub4; oder SiC als eine Matrix eine hohe Temperatur (z. B. 1600 bis 2100ºC) beim Sintern, und dies bewirkt eine merkliche Verschlechterung der anorganischen Faser aufgrund der herbeigeführten Reaktion. Beispielsweise verliert Nicalon, als Verstärkung verwendet, seine Faserform während des Formens bei der Herstellung des oben beschriebenen CMC vollständig. Das gleiche Problem tritt auch in dem Fall der Verwendung von SiC/C Verbundfaser, Al&sub2;O&sub3; Faser, Si&sub3;N&sub4; Faser oder Si-C-N Faser als Verstärkung auf. Bei der Verwendung der Tirano Faser als Verstärkung kann die Faserform beibehalten werden, damit sie Verstärkungswirkungen in gewissem Maß zeigen, aber die erreichte Festigkeit ist weit von dem theoretischen Wert (ROM Wert) des CMC entfernt.
Daher erfüllen die herkömmlicherweise vorgeschlagenen MMC und CMC nicht die Bedingungen der Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, mechanischen Eigenschaften und Ähnlichem die auf dem Gebiet der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie verlangt werden, weil die Faserverstärkung mit der Matrix bei der Herstellung dieser Verbundwerkstoffe reagiert, und die Verbundwerkstoffe selbst haben schlechtere Wärmeermüdungseigenschaften, Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit. Es ist deshalb verlangt worden, eine Verstärkung zu entwickeln, die von den obenerwähnten Nachteilen frei ist und ausreichende Wärmebeständigkeit, mechanische Eigenschaften oder ähnliche Qualität zeigt.
Des weiteren neigt die herkömmliche Verstärkung, wenn sie bei niedrigen Volumenanteil verwendet wird, dazu, schwer in einer Matrix gleichförmig dispergiert zu werden, wodurch eine Dispersionsungleichmäßigkeit hervorgerufen und ein Verbundwerkstoff mit ungleichmäßiger Festigkeit geschaffen wird. In diesem Fall kann die Verstärkung nicht helfen, außer in einem Maß über die Spezifizierung hinaus verwendet zu werden, wodurch sich erhöhte Produktionskosten ergeben. Wenn der Volumenanteil groß ist, trifft man manchmal Fälle an, bei denen einzelne Fasern miteinander in Berührung kommen, wodurch fehlschlägt, einen Verbundwerkstoff mit erwünschten Eigenschaften, wie mechanischer Festigkeit, zu schaffen.
EP-A-434300 offenbart eine beschichtete Siliciumverstärkung für Hochtemperaturverbundwerstoffe und daraus hergestellte Verbundwerkstoffe. Solche Verstärkungen haben die Form von durchgehenden Fasern, abgeschnittenen Fasern, Whisker, Plättchen, Teilchen oder Pulver, bei denen die Beschichtung aus ÄIXOyNZ besteht. Diese beschichtete Verstärkung kann in verschiedenen Formen hergestellt oder gewoben oder sonst wie vor der Kombination mit einem Matrixmaterial hergestellt sein.
EP-A-538108 offenbart ein Verfahren, einen Keramikmaterial-Verbundwerkstoff zu erhalten, wobei Silicium-, Titan-, Kohlenstoff-, Sauerstoffasern mit einer Festgelbereitung oder Schlamm auf Glasbasis imprägniert und zu Matten geformt werden. Beschichtete- Verstärkungsfasern sind des weiteren in US-A-5,198,282 und in EP-A-290146 geoffenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Verstärkung für Verbundwerkstoffe zu schaffen, die als eine Verstärkung für einen MMC geeignet ist, der eine Titanlegierung, eine intermetallische Verbindung, usw. als eine Matrix umfaßt, oder für einen CMC, der sehr wärmebeständiges und hochleistungsfähiges Si&sub3;N&sub4; oder SiC, das durch Hochtemperatursintern erhalten wird, als ein Matrixmaterial umfaßt; sowie metallische Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften, und keramische Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneter Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften.
Die obige Zielsetzung der vorliegenden Erfindung wird durch die Verstärkungen erreicht, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 definiert sind, und wird des weiteren durch die Gegenstände der Ansprüche 3 und 6 erreicht; die einen Metallverbundwerkstoff bzw. einen Keramikverbundwerkstoff unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verstärkungen festlegen.
Insbesondere sind die Verstärkungen für Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung für einen MMC geeignet, der eine Titanlegierung, eine intermetallische Verbindung, usw. als eine Matrix verwendet und für einen CMC, der sehr wärmebeständiges und hochleistungsfähiges Si&sub3;N&sub4; oder SiC, das durch Sintern bei hoher Temperatur erhalten wird, als eine Matrix verwendet.
Da die anorganische Faser in der Verstärkung durch Glas und/oder Glaskeramik geschützt ist, die als eine Matrix bei der Verstärkung dient, zeigt die Verstärkung eine ausgezeichnete Qualität, wenn sie mit einer hochschmelzenden Titanlegierung oder verschiedenen Keramiken bei der Herstellung von Metallmatrixverbundwerkstoffen (MMC) oder Keramikmatrixverbundwerkstoffen (CMC) kombiniert wird.
Das heißt, da die anorganische Faser durch Glaskeramik, usw. geschützt ist, das ein geringes Reaktionsvermögen mit Metallen aufweist, wird die anorganische Faser an einer Verschlechterung aufgrund einer Reaktion mit einem Metall gehindert, wenn sie mit eine hochschmelzenden Metallmatrix kombiniert wird, so daß ein MMC mit den erwünschten mechanischen Eigenschaften erhalten wird.
Die Herstellung anorganischer, faserverstärkter Keramiken, typischerweise Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid, umfaßt eine Erwärmung auf 1500ºC oder höher zum Sintern der Keramik. Da die anorganische Verstärkungsfaser der Verstärkung der vorliegenden Erfindung vorhergehend in Glaskeramik, usw., vergraben wird, erleidet sie keine Verschlechterung durch eine solche hohe Temperatur, so daß ein CMC mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften geschaffen wird.
Gegenüber einer Verschlechterung durch Reaktion geschützt, liefert die Verstärkung der vorliegenden Erfindung Verbundwerkstoffe, die mechanische Eigenschaften nahe · den ROM Werten zeigen. Verglichen mit einer SiC/C Verbundfaser umfaßt die Verstärkung der vorliegenden Erfindung nahezu keinen Unterschied bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen ihren Hauptkomponenten, so daß sie frei von Ermüdung bei einem Wärmezyklus ist und mit merklich verringerten Kosten erzeugt werden kann.
Die Verstärkung für Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht eine Festigkeit nahe den ROM Werten selbst, wenn sich der Faservolumenanteil über einen Breitenbereich ändert. Da der Faservolumenanteil bei der Verstärkung beliebig gesteuert werden kann, können Verbundwerkstoffe, die mit den erwünschten Eigenschaften versehen sind, unabhängig davon erhalten werden, ob der Faservolumenanteil niedrig oder hoch ist, was zu einem Problem bei den herkömmlichen Verstärkungen geführt hat. Die Metallverbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung weisen eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit; Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften auf.
Das heißt, wenn ein Metall oder eine intermetallische Verbindung als hochschmelzende Metallmatrix mit der oben beschriebenen Verstärkung kombiniert wird, ist die anorganische Faser bei Verstärkung durch Glaskeramik, usw., geschützt, die ein geringes Reaktionsvermögen mit einem Metall aufweist, und wird dadurch gegenüber einer Verschlechterung durch eine Reaktion mit einem Metall gehindert. Als Ergebnis besitzt der Metallverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung, der die Verstärkung verwendet, erwünschte mechanische Eigenschaften.
Des weiteren zeigt, da die Faserverschlechterung aufgrund einer Reaktion während des Formens nahezu vollständig gehemmt wird, der Metallverbundstoff mechanische Eigenschaften nahe den ROM Werten: Verglichen mit SiC/C Verbundfaser zeigt die in dem Metallverbundwerkstoff verwendete Verstärkung nahezu keinen Unterschied bei dem Wärmeausdehnungskoeffizienten unter ihren Hauptkomponenten, so daß der Verbundwerkstoff von Ermüdung bei einem Wärmezyklus frei ist und bei merklich verringerten Kosten hergestellt werden kann.
Da die Verstärkung eine Festigkeit nahe den ROM Werten erreicht, selbst wenn sich der Faservolumenanteil über einen weiten Bereich ändert, und der Faservolumenanteil in der Verstärkung beliebig gesteuert werden kann, kann der mit den erwünschten Eigenschaften versehene Verbundwerkstoff unabhängig davon erhalten werden, ob der Faservolumenanteil niedrig oder hoch ist, was zu einem Problem im Fall der Verwendung herkömmlicher Verstärkungen geführt hat.
Deshalb ist der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung als ein Material auf dem Gebiet der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie nützlich.
Der Keramikverbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung weist ausgezeichnete Wärmebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften auf. Selbst wenn die Keramikmatrix bei einer Temperatur von 1500ºC oder höher bei der Bereitung eines durch anorganische Faser verstärkten Keramikverbundwerkstoffs gesintert wird, erleidet sie, da die anorganische Verstärkungsfaser der Verstärkung vorhergehend in Glaskeramik, usw., begraben worden ist, keine Verschlechterung durch eine solche hohe Temperatur. Als Ergebnis zeigt der Keramikverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften.
Des weiteren zeigt, da die Faserverschlechterung aufgrund einer Reaktion während des Formens nahezu vollständig gehemmt wird, der keramische Verbundwerkstoff mechanische Eigenschaften nahe den ROM Werten. Verglichen mit SiC/C Verbundfaser umfaßt die Verstärkung, die in dem Keramikverbundwerkstoff verwendet wird, nahezu keine Differenz bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen ihren Hauptbestandteilen, so daß der Verbundwerkstoff von einer Wärmezyklusermüdung frei ist und mit merklich verringerten Kosten hergestellt werden kann.
Da die Verstärkung eine Festigkeit nahe den ROM Werten erreicht, selbst wenn sich der Faservolumenanteil über einen weiten Bereich ändert, und der Faservolumenanteil der Verstärkung beliebig gesteuert werden kann, kann der Verbundwerkstoff, versehen mit den erwünschten Eigenschaften, unabhängig davon erhalten werden, ob der Faservolumenanteil niedrig oder hoch ist, was zu einem Problem in dem Fall der Verwendung herkömmlicher Verstärkungen geführt hat.
Deshalb ist der Keramikverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung als ein Material auf dem Gebiet der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie zweckmäßig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht eines Beispiels der Verstärkung für Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht eines anderen Beispiels der Verstärkung für Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER Erfindung

Die Verstärkung für Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung wird unten ausführlich beschrieben.
Die Verstärkung für Verbundwerkstoffe (nachfolgend einfach als "Verstärkung" bezeichnet) der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, das sie aus einer Anzahl anorganischer, langer Fasernfäden gebildet ist, wobei Glas und/oder Glaskeramik in den Zwischenräumen zwischen den Fäden vorhanden ist, und ist auch dadurch gekennzeichnet, daß sie eine bestimmte Form aufweist.
Die anorganische, lange Faser, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfaßt (1)(a) ein Aggregat aus einem amorphen Stoff, der im wesentlichen Si, Ti und/oder Zr, C und O umfaßt, und einem kristallinen Stoff, der eine Größe von nicht mehr als 1 um (10.000 A) aufweist und β-SiC und TiC und/oder ZrC umfaßt, oder (b) ein gemischtes System aus dem kristallinen Stoff und einem amorphen Stoff, der in der Nchbarschaft des kristallinen Stoffes vorhanden ist und SiOx und TiOx und/oder ZrOx (0 < x ≤ 2) umfaßt, wobei die anorganische, lange Faser eine Elementzusammensetzung aus Si von 30 bis 80 Gew.-%, Ti und/oder Zr von 0,05 bis 8 Gew.-%, C von 15 bis 69 Gew.-% und O von 0,1 bis 20 Gew.-% aufweist.
Der Ausdruck "in der Nachbarschaft von", wie er oben in (b) verwendet wird, bedeutet vorzugsweise den Bereich nicht weiter als 1000 Å von der Grenze des kristallinen Stoffes entfernt.
Die obenerwähnten anorganischen langen Fasern (1) haben vorzugsweise eine Elementzusammensetzung aus Si: 30 bis 80 Gew.-%; Ti und/oder Zr: 0,05 bis 8 Gew.-%; C: 15 bis 69 Gew.-%, und O: 0,1 bis 20,0 Gew.-%.
Die anorganische, lange Faser umfaßt des weiteren anorganische, lange Fasern, die Silicium (Si), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und zumindest ein Metall (M) umfassen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus den Elementen besteht; die zu den Gruppen II bis VIII des periodischen Systems gehören und ein Röntgenkleinwinkel-Streuintensitätsverhältnis von 1 bis 20 bei einem Streuwinkel von entweder 1º oder 0,5º aufweisen, und ein N/Si Atomverhältnis von 0,3 bis 3, ein O/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 15, ein C/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 7, ein H/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 1 und ein M/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 5 aufweisen.
Die einzelnen, anorganischen langen Fasern haben vorzugsweise eine Struktur mit einem Gradientenaufbau der Art, daß die äußerste Schicht 35 bis 100 Gew.-% C, 0 bis 60 Gew.-% Si, 0 bis 4 Gew.-% Ti und 0 bis 19 Gew.-% O umfaßt und sich die Zusammensetzung von C, Si, Ti und 0 fortlaufend von der äußersten Schicht nach innen 20 bis 20000 Å tief von der Oberflächenschicht ändert.
Der Gradient der Zusammensetzung bei einer solchen Struktur kann eine gerade Linie oder eine gekrümmte Linie oder eine daraus gemischte Linie liefern, solange die Änderung der Zusammensetzung kontinuierlich ist.
Der anorganische, lange Fasernfaden hat vorzugsweise einen Durchschnittsdurchmesser von 5 bis 200 um, und die Anzahl der Fäden in einer Verstärkung ist vorzugsweise mindestens 5 und höchstens 6000.
Die Form des Fadens umfaßt eine Säule, eine Hohlsäule, ein Prisma, ein Hohlprisma und Ähnliches.
Der Faden kann ohne weiteres erhalten werden, indem die oben beschriebene, anorganische, lange Faser in bekannter Weise gebildet wird.
Der Faden hat üblicherweise eine Dichte von 1,9 bis 4,0 g/cm³.
Das Glas, das vorzugsweise beider vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, umfaßt Glas auf der Grundlage von B&sub2;O&sub3;SiO&sub2; und Glas auf der Grundlage von MgO·CaO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2;.
Die Glaskeramik, die bevorzugt bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, umfaßt Keramik auf der Grundlage von Li&sub2;O&sub3;·Al&sub2;O&sub3;·MgO·SiO&sub2;Nb&sub2;O&sub5;, Keramik auf der Grundlage von MgO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2;, Keramik auf der Grundlage von BaO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2;, Keramik auf der Grundlage von BaO·MgO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; und Keramik auf der Grundlage von CaO·Al&sub2;O&sub5;·SiO&sub2;.
Das obenerwähnte Glas oder die Glaskeramiken können des weiteren ein Metalloxid der Gruppe II, ein Metalloxid der Gruppe III, ein Metalloxid der Gruppe IV und/oder ein Metalloxid der Gruppe V enthalten.
Das Glas oder die Glaskeramiken haben üblicherweise eine Dichte von 2,0 bis 3,8 g/cm³.
Die Glaskeramik umfaßt bevorzugt einen amorphen Stoff mit der obenerwähnten Zusammensetzung und/oder einen kristallinen Stoff, dessen Hauptkristallphase Anorthit, β- Spodumen, Cordierit, Bariumosumilit, Mullit oder Celsian umfaßt.
Die Volumenanteile des anorganischen langen Fasernfadens und des Glases und/oder der Glaskeramiken in der Verstärkung der vorliegenden Erfindung sind von 20 bis 90 Vol.-% bzw. von 10 bis 80 Vol.%.
Wenn es erwünscht ist und bevorzugt wird, weist die Verstärkung der vorliegenden Erfindung eine Dämpfungsschicht für verschiedene Stöße (nachfolgend als Stoßdämpfungsschicht bezeichnet) an der Grenze zwischen jedem Faden und dem Metallverbindungsoxid auf.
Die Stoßdämpfungsschicht umfaßt vorzugsweise zumindest ein Element aus der Gruppe von Kohlenstoff und Keramik auf der Grundlage von Carbid, Nitrid oder Borid, z. B. Kohlenstoff, SiC, Si&sub3;N&sub4;, TiB&sub2;, TiN, TiC, BN, TiC·TiN usw. und hat eine Dicke von 5 bis 20000 Å.
Der Volumenanteil der Stoßdämpfungsschicht ist vorzugsweise nicht mehr als 10 Vol.- %.
Die Verstärkung der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 dargestellt.
Fig. 1 ist eine perspektivische Teilansicht eines Beispiels der Verstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 ist eine perspektivische Teilansicht eines anderen Beispiels der Verstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die in Fig. 1 gezeigte Verstärkung 10 ist aus einer Anzahl säulenförmigen, anorganischen, langen Faserfäden 1 und Glas und/oder Glaskeramik 2 zusammengesetzt, die zwischen den Fäden 1 vorhanden ist, und hat eine Drahtform.
Genauer gesagt bilden die Fäden 1 ein Bündel mit Zwischenräumen zwischen den einzelnen Fäden 1; die mit Glas und/oder Glaskeramik 2 gefüllt sind, und Glas und/oder Glaskeramik 2 bildet auch die Außenform der Verstärkung 10, um eine Drahtform zu schaffen.
Die in Fig. 2 gezeigte Verstärkung 10A ist aus einer Zahl säulenförmiger, anorganischer, langer Faserfäden 1A und Glas und/oder Glaskeramik 2a zusammengesetzt, die in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Fäden vorhanden ist, und hat die Form eines Bandes.
Die Fäden 1A bilden ein Bündel, wobei die Zwischenräume zwischen ihnen mit Glas und/oder Glaskeramik 2A gefüllt sind, und Glas und/oder Glaskeramik 2A bildet auch die Außenform der Verstärkung 10A, um eine Bandform zu schaffen.
Wie es in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist die Verstärkung der vorliegenden Erfindung selbst aus einem Verbundwerkstoff gebildet, der aus anorganischer Faser und einem Glas und/oder Glaskeramikmatrix zusammengesetzt ist und die Form eines Drahtes oder Bandes hat.
Die drahtförmige Verstärkung hat vorzugsweise einen Durchmesser von 20 um bis 5 mm, und die bandförmige hat vorzugsweise eine Weite von 20 um bis 10 cm und eine Dicke von 10 um bis 1 cm.
Das Verfahren zur Herstellung der Verstärkung der vorliegenden Erfindung ist unten beschrieben.
Die Verstärkung der vorliegenden Erfindung kann bspw. erhalten werden, indem die folgenden Schritte 1 bis 6 nacheinander durchgeführt werden.
Schritt 1: Ein Schritt zur Entfernung eines organischen Klebemittels von der anorganischen, langen Faser.
Schritt 2: Ein Schritt zum Öffnen der anorganischen, langen Faser, von der das organische Klebmittel entfernt worden ist, wie sie beim Schritt 1 (Fadenbildung) erhalten wird.
Schritt 3: Ein Schritt, bei dem die geöffneten anorganischen, langen Fasern durch einen wäßrigen und/oder organischen Lösungsschlamm bewegt werden, der Glas und/oder Glaskeramik enthält, damit das Glas und/oder die Glaskeramik an den einzelnen, anorganischen, langen Fasern anhaftet.
Schritt 4: Ein Schritt, bei dem die anorganischen, langen Fasern, an denen Glas und/ oder Glaskeramik angehaftet hat, wie sie im Schritt 3 erhalten werden, zu Draht oder Band geformt werden, indem sie durch einen Schlitz oder ein Walzenpaar laufen.
Schritt 5: Ein Schritt, bei dem die drahtförmigen oder bandförmigen, anorganischen, langen Fasern mit dem an ihnen anhaftenden Glas und/oder Glaskeramik fortlaufend calciniert werden, damit das Glas und/oder die Glaskeramik schmelzgesintert wird.
Schritt 6: Ein Schritt, bei dem die anorganische Faser/Glas und/oder Glaskeramik- Schmelzsinterung, wie sie im Schritt S erhalten wird, weiter calciniert wird, um dadurch einen Teil der oder die gesamte Metalloxidschmelzsinterung zu kristallisieren, und das Sintererzeugnis fortlaufend aufgewickelt wird.
Das organische Klebemittel, das im Schritt 1 entfernt wird, umfaßt Polyethylenoxid und Vinylacetat.
Die Fadenbildung im Schritt 2 kann z. B. ausgeführt werden, indem eine Luftströmung verwendet wird. Die Luftströmung hat vorzugsweise eine Flußmenge von 1 cm/s bis 100 cm/s und einen Luftdruck von 0,1 bis 5 kg/cm².
Im Schritt 3 kann der Schlamm einen Binder enthalten, um die Faser klebrig zu machen, damit das Anhaften von Glas und/oder Glaskeramik an den Fasern verstärkt wird. Der Binder, der zum Klebrigmachen der Faser verwendet wird, umfaßt Polyethylenoxid und Vinylactat. Die Glas und/oder Glaskeramikkonzentration in dem wäßrigen und/oder organischen Lösungsmittelschlamm reicht vorzugsweise von 1 bis 80 Gew.-%, und die Konzentration des Binders, um die Faser klebrig zu machen ist vorzugsweise von 0,1 bis 50 Gew.-%.
Der Schlitz, der im Schritt 4 verwendet werden kann, hat vorzugsweise einen Durchmesser von 20 um bis 5 mm und eine Weite von 8 um bis 1 cm. Die Walzen, die im Schritt 4 verwendet werden können, umfassen vorzugsweise jene, die aus Werkstoffen hergestellt sind, an denen der Schlamm aus Glas und/oder Glaskeramik kaum anhaftet, wie Metallen, Kunststoffen, Gummi oder Keramik. Bei der Verwendung eines Schlitzes wird eine Draht- oder bandförmige Verstärkung erhalten.
Die Calcinierung im Schritt S wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 500 bis 1700ºC während einer Dauer von 30 Sekunden bis 3 Stunden ausgeführt.
Die Calcinierung im Schritt 6 wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 700 bis 1900ºC während einer Dauer von 10 Minuten bis 500 Stunden durchgeführt.
Die Verstärkung, die die vorgenannte Stoßdämpfungsschicht aufweist, kann erhalten werden, indem anorganische, lange Fasern verwendet werden, die vorhergehend mit der oben beschriebenen Stoßdämpfungsschicht im Schritt 1 beschichtet worden sind.
Die Verstärkung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in verschiedenen Verbundwerkstoffen verwendet werden, wie Metallmatrix Verbundwerkstoffen (MMC) oder Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (CMC). Die Verbundwerkstoffe, die die Verstärkung der vorliegenden Erfindung verwenden, können in herkömmlicher Weise hergestellt werden. Die Metallverbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung sind unten ausführlich beschrieben.
Das Metall- oder die intermetallische Verbindungen, die bei dem Metallverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung Verwendet werden kann, bilden eine Matrix des Verbundwerkstoffs. Zweckmäßige Metalle umfassen Titanlegierungen, wie Ti-6Al-4V (α+β Typ) und Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (β Typ), Aluminiumlegierungen, wie A6061 und A2024, und Magnesiumlegierungen, wie AZ91 und ZE41. Zweckmäßige intermetallische Verbindungen umfassen Ti&sub3;Al, TiAl und Nb&sub3;Al.
Titanlegierungen, wie Ti&sub3;Al, TiAl und Ti-6Al-4V (α+β Typ) werden besonders bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Das Metall oder die intermetallische Verbindung kann Pulverform, Folienform, Plattenform oder Massenform aufweisen. Die im Handel erhältlichen können verwendet werden oder sie können in herkömmlicher Weise hergestellt werden.
Es wird bevorzugt, daß die Volumenanteile der Verstärkung und der Matrix, d. h., das Metall oder die intermetallische Verbindung, in dem Metallverbundwerkstoff 20 bis 80 Vol.% bzw. 80 bis 20 Vol.% sind. Die Volumenanteile, dieser Komponenten werden geeignet gemäß den Qualitätsanforderungen auf der Grundlage der strukturellen Konstruktion des Produkts oder Teils ausgewählt, bei dem der Verbundwerkstoff angewendet wird.
Die Dichten der Verstärkung und des Metalls oder der intermetallische Verbindung bei dem Metallverbundwerkstoff ist von 1,9 bis 4,0 g/cm³ bzw. von 1,7 bis 7,3 g/cm³.
Ein Modus der Verstärkung (Ausrichtungsmodus) bei dem Metallverbundwerkstoff umfaßt eine unidirektionale Verstärkung, eine bi- oder polydirektionale Verstärkung unter einem Winkel von 0º, 90º, usw., und eine Verstärkung unter Verwendung eines Textils, das aus Verstärkungen mit kleinem Durchmesser hergestellt ist, die eine kleine Anzahl Fäden in verschiedenen Strukturen enthalten, wie ebenes Gewebe, Satingewebe; Kordtextilerzeugnis gewebe, ebenes, dreiachsiges Gewebe, dreidimensionales Textilerzeugnis und Litze.
Insbesondere werden, um bspw. die vollen Eigenschaften des Metallverbundwerkstoffs der vorliegenden Erfindung bei der Anwendung auf dem Gebiet der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie auszunutzen, die obenerwähnten Ausrichtungsarten vorzugsweise gemäß den Leistungsanforderungen auf der Grundlage der Konstruktion eingesetzt. Bei dieser Anwendung sind die Volumenanteile der Verstärkung und des Metalls oder der intermetallische Verbindung vorzugsweise von 40 bis 70 Vol.-% bzw. von 30 bis 60 Vol.- %.
Wenn es erwünscht wird und bevorzugt ist, kann der Metallverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung eine Stoßdämpfungsschicht aufweisen, die gegenüber verschiedenen Stößen an der Grenzschicht zwischen der Verstärkung und der Metall- oder intermetallischen Verbindungsmatrix widerstandsfähig ist.
Die Stoßdämpfungsschicht umfaßt vorzugsweise zumindest Kohlenstoff oder eine Keramik auf der Grundlage von Carbid, Oxid, Nitrid oder Borid, und Metallen, z. B., Kohlenstoff, SiC, ZrO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, BN, TiN, TiC, TiB&sub2; Ta, Zr und Hf, und hat vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 1000 Å.
Der Volumenanteil der Stoßdämpfungsschicht ist vorzugsweise kleiner als 10 Vol.%.
Der Metallverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung kann aus der obenerwähnten Verstärkung und dem Metall oder der intermetallischen Verbindung gemäß gutbekann ter Verfahren erhalten werden. Ohne einzuschränken, umfassen zweckmäßige Verfahren ein Plasmasprühbeschichtungs-Heißpreßverfahren, ein Plasmasprühbeschichtungs- Diffusionsbeschichtungsverfahren, ein Verdichtungsgießverfahren, ein Druckgießverfahren, ein Pulververfestigungsverfahren und ein Tauchbeschichtungsverfahren.
Der Metallverbundwerkstoff mit der vorgenannten Stoßdämpfungsschicht kann erhalten werden, indem eine Verstärkung verwendet wird, die vorhergehend mit der oben beschriebenen Stoßdämpfungsschicht beschichtet worden ist.
Die Keramikverbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung sind unten im einzelnen beschrieben.
Die Keramik, die in dem Keramikverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, bildet eine Matrix des Verbundwerkstoffs. Zweckmäßige Keramiken umfassen Carbide, wie SiC, TiC, B&sub4;C, TaC und WC; Nitride, wie Si&sub3;N&sub4;, BN, TiN und AlN; Boride, wie TiB&sub2; und MoB; Silicide, wie MoSi&sub2;; und von dem Glas und/oder der Glaskeramik verschiedene Oxide, wie AbO&sub3;, ZrO&sub2; und MgO. Diese Keramiken können entweder einzeln oder als Kombination von ihnen verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung werden SiC, TiC, B&sub4;C, Si&sub3;N&sub4;, BN, TiB&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; und MgO bevorzugt.
Die zu verwendende Keramik kann aus Keramikpulver ausgewählt werden, das üblicherweise einen Durchmesser von nicht mehr als 1 um aufweist, und jenen in herkömmlicher Weise hergestellten. Wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf Verfahren zur Herstellung von Keramik beschrieben ist, kann ein im Handel erhältliches organometallisches Polymer, das durch Pyrolyse in Keramik umwandelbar ist, auch verwendet werden, nachdem es durch Pyrolyse in eine Keramik umgewandelt ist. Ein solches organometallisches Polymer umfaßt Polysilazan, Polycarbosilan, Polytitanocarbosilan und Bor enthaltende Organosilicium-Polymere. Des weiteren können Keramiken, die durch Umwandlung eines im Handel erhältlichen Startgases, wie eines organometallischen Gases, eines Metallhalogenids, eines Kohlenwasserstoffgases, Ammoniakgas, Stickstoffgas oder Wasserstoffgas, durch chemische Dampfabscheidung, durch chemische Dampfimprägnierung oder chemische Dampfdurchdringung, ebenfalls verwendet werden. Ein zweckmäßiges Startgas umfaßt Methan, Ammoniak, Wasserstoff, Silan, Boran und Siliciumtetrachlorid.
Es wird bevorzugt, daß der Volumenanteil der Verstärkung und der Keramikmatrix in dem Keramikverbundwerkstoff 5 bis 80 Vol.-% bzw. 20 bis 95 Vol.-% sind. Die Volumenanteile dieser Komponenten werden geeigneten gemäß den Leistungsanforderungen auf der Grundlage der strukturellen Konstruktion des Erzeugnisses oder Teils ausgewählt, bei dem der Verbundwerkstoff angewendet wird:
Die Dichte der Verstärkung und der Keramikmatrix in dem Keramikverbundwerkstoff sind von 1,9 bis 3,8 g/cm³ bzw. von 2, 2 bis 7,2 g/cm³.
Eine Art der Verstärkung (Ausrichtungsmodus) bei dem Metallverbundwerkstoff umfaßt eine unidirektionale Verstärkung, eine bi- oder polydirektionale Verstärkung unter einem Winkel von 0º, 90º, usw., und eine Verstärkung unter Verwendung eines Textilerzeugnisses, das aus Verstärkungen mit kleinem Durchmesser hergestellt ist, die eine kleine Anzahl Fäden in verschiedenen Strukturen enthalten, wie ebenes Gewebe, Satingewebe, Kordgewebe, ebene dreiachsige Gewebe, dreidimensionales Textilerzeugnis und Litze.
Insbesondere werden, um bspw. die vollen Eigenschaften des Metallverbundwerkstoffs der vorliegenden Erfindung bei der Anwendung auf dem Gebiet der Raumfahrt- und Luftfahrtindustrie auszunutzen, die obenerwähnten Ausrichtungsarten vorzugsweise gemäß den Leistungsanforderungen auf der Grundlage der Konstruktion eingesetzt. Bei dieser Anwendung sind die Volumenanteile der Verstärkung und des Metalls oder der intermetallischen Verbindung vorzugsweise von 40 bis 70 Vol.-% bzw. von 30 bis 60 Vol.-%.
Wenn es erwünscht wird und bevorzugt ist, kann der Metallverbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung eine Stoßdämpfungsschicht aufweisen, die gegenüber verschiedenen Stößen an der Grenzschicht zwischen der Verstärkung und der Metall- oder intermetallischen Verbindungsmatrix widerstandsfähig ist.
Die Stoßdämpfungsschicht umfaßt vorzugsweise zumindest Kohlenstoff und eine Keramik auf der Grundlage von Carbid, Oxid, Nitrid oder Borid, und Metallen, z. B., Kohlenstoff, SiC, ZrO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Bn, TiN, TiC, TiB&sub2; Ta, Zr und Hf, und hat vorzugsweise eine Dicke von 5 bis 2000 A.
Der Volumenanteil der Stoßdämpfungsschicht ist vorzugsweise kleiner als 10 Vol.%. Das Keramikverbundmaterial der vorliegenden Erfindung kann aus der obenerwähnten Verstärkung und der Keramikmatrix in herkömmlicher Weise bspw. durch die folgenden Verfahren (1) bis (3) erhalten werden:
(1) Ein Verfahren, das eine unidirektionale Anordnung von Verstärkungen unter Verwendung eines leicht pyrolysierbaren Binders, wie Polyethylenoxid oder Polyethylenglycol, umfaßt, um kunststoffimprägnierte Flächenstoffe herzustellen, wobei abwechselnd die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe und pulverförmige Keramik laminiert werden und das Laminat einer Heißpressung oder einer Kaltformung, der Sintern bei normalem Druck folgt, oder einer HIP Formung unterzogen wird.
(2) Ein Verfahren, das umfaßt, die Verstärkungen durch eine Mischsuspension aus dem oben beschriebenen Binder und Keramikpulver in Wasser oder einem Lösungsmittel hindurchzubewegen oder in ihm einzuweichen, die Verstärkungen, an denen der Binder und das Keramikpulver anhaftet, unidirektional auszurichten, um kunststoffimprägnierte Flächenstoffe herzustellen, die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe zu laminieren und das Laminat Heißpressen oder einer Kaltformung, der Sintern unter normalem Druck folgt, oder einer HIP Formung auszusetzen.
(3) Ein Verfahren, das umfaßt, vorgeformte Flächenstoffe unter Verwendung eines organometallischen Polymers, wie Polysilazan, Polycarbosilan, Polytitanocarbosilan oder Bor enthaltendes Organosilicium-Polymer herzustellen, die Verstärkungen (oder das Verstärkungstextilerzeugnis) durch Imprägnierung oder Anhaften zu bilden, und die Vorformflächenstoffe in der gleichen Weise wie bei den Verfahren (1) und (2) zuformen.
Bei dem Heißpressen, dem Kaltformen mit nachfolgendem Sintern bei normalem Druck oder dem HIP Formen ist die optimale Temperatur für das Keramikmaterial, eine Keramikmatrix zu bilden, üblicherweise im Bereich von 900 bis 2100ºC, und der optimale Formungsdruck ist üblicherweise von 4,9-98 MPa (50 bis 100 kg/cm²).

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine Verstärkung für Verbundwerkstoffe, Metallverbundwerkstoffe und Keramikverbundwerkstoffe wird nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die Beispiele dargestellt. Die Beispiele 2, 11 und 22 sind entsprechend der beanspruchten Erfindung.

Beispiel 1

Die folgenden Schritte 1 bis 6 wurden in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei anorganische, lange Faserfäden, die unten gezeigt sind, verwendet wurden, um eine drahtförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe zu erhalten, die aus 10 Vol.-% amorphen BaO·MgO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; besteht, das zum Teil Bariumosumilit Kristallite als Glaskeramik und 90 Vol.-% anorganische, lange Faser umfaßt.
Anorganische lange Faser: eine Aggregation aus 1600 Fäden/Garn aus amorpher, anorganischer, langer Faser, die Si, Ti, C und O umfaßt. Jeder Faden hat einen Durchmesser von 11 um und eine Elementzusammensetzung aus Si: 50 Gew.-%, Ti: 2 Gew.- %, C: 30 Gew.-%, und 0 : 18 Gew.-% in ihrem Inneren, und Si: 0 Gew.-%, Ti: 0 Gew.-%, C: 100 Gew.-% und O: 0 Gew.-% in seiner Außenschicht, wobei sich die Zusammensetzung der Außenschicht fortlaufend nach innen in dem Bereich von der äußersten Schicht bis zu einer Tiefe von 700 Å ändert. Die Faser ist mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyethylenoxid klebrig gemacht worden.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 350ºC in Luft erwärmt, um das Klebemittel zu entfernen.
Schritt 2: Die Faser wurde zu Fäden durch eine Luftströmung geöffnet.
Schritt 3: Die Fäden wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus BaO·MgO·Al&sub2;O&sub3;SiO&sub2; (Glaskeramik) geschickt, der durch Ultraschalldispersion hergestellt wurde (enthält 10 Vol.-% Polyethylenoxid als Faserklebemittel), damit die Glaskeramik an den Fäden anhaftet.
Schritt 4: Die Fäden mit der an ihnen anhaftenden Glaskeramik wurden durch einen Schlitz geschickt, um zu Draht geformt zu werden.
Schritt 5: Der Draht wurde fortlaufend bei 1000ºC in einer Stickstoffatmosphäre behandelt, damit die an den Fäden anhaftende Glaskeramik geschmolzen und gesintert wird.
Schritt 6: Der Draht wurde weiter fortlaufend bei 1200ºC in Stickstoff behandelt. Die sich ergebende, drahtförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe hatte eine Zugfestigkeit von 2,5 GPa und eine Bruchdehnung von 0,20%, wie sie bei einer Zugfestigkeitsprüfung bei 1200ºC in Luft gemessen wurde.

BEISPIEL 2

Die folgenden Schritte 1 bis 6 wurden in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei Fäden aus anorganischer, langer Faser, die unten gezeigt ist, verwendet wurden, um eine bandförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe zu erhalten, die aus 60 Vol.-% amorpher Glaskeramik besteht, die die folgende Zusammensetzung aufweist und teilweise p-Spodumen Kristallite und 40 Vol.-% dieser Faser enthielt.
Anorganische lange Faser: ein Aggregat aus 3200 Fäden/Garn aus anorganischer, langer Faser, die amorphe Stoffe umfaßt, die Si, Ti, C und O und ultrafeine Teilchen aus β- SiC und TiC mit einer Teilchengröße von 20 Å enthalten. Jeder Faden hat einen Durchmesser von 11 um und eine Elementzusammensetzung aus Si: 54 Gew.-%, Ti: 2 Gew.- %, C: 32 Gew.-%, und O: 12 Gew.-% in ihrem Inneren, und Si: 42 Gew.-%, Ti: 3 Gew.- %, C: 47 Gew.-% und O: 8 Gew.-% in seiner Außenschicht, wobei sich die Zusammensetzung der Außenschicht fortlaufend nach innen in dem Bereich von der äußersten Schicht bis zu einer Tiefe von 80 Å ändert. Die äußerste Schicht eines jeden Fadens war mit einer Stoßdämpfungsschicht, die BN umfaßt, durch chemische Dampfabscheidung (CVD) mit einer Dicke von 8000 A versehen. Die Faser wurde mit 0,5 bis 1 Gew.-% eines Epoxyharzes klebrig gemacht.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 400ºC in Luft erwärmt.
Schritt 2: Die Fadenbildung wurde in gleicher Weise wie beim Beispiel 1 durchgeführt.
Schritt 3: Die Fäden wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus Li&sub2;O3Al&sub2;O&sub3;·MgO·SiO&sub2;·Nb&sub2;O&sub5; (Glaskeramik) geschickt, der einen Spurenanteil ZrO&sub2; enthielt und durch Ultraschalldispersion (enthielt 10 Vol.% an Polyethylenoxid als Fasernklebemittel) hergestellt.
Schritt 4: Die Fäden wurden durch Walzen bewegt, um sie zu einem 10 mm breiten Band zu formen.
Schritt 5: Das Band wurde bei 950ºC schmelzgesintert.
Schritt 6: Das Band wurde weiter fortlaufend bei 1100ºC schmelzgesintert.
Die sich ergebende, bandförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe hatte eine Zugfestigkeit von 1,4 GPa und eine Bruchdehnung von 0,35%, gemessen mit einer Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur.

BEISPIEL 3

Die folgenden Schritte 1 bis 5 wurden in der beschriebenen Reihenfolge unter Verwendung von Fäden aus anorganischer, langer Faser, die unten gezeigt ist, ausgeführt, um eine drahtförmige Verstärkung zu erhalten, die aus 10 Vol.-% Glaskeramik besteht, die amorphes CaO·MgO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; umfaßt, das das teilweise Anorthit Kristallite und 90 Vol.-% dieser Faser enthält.
Anorganische, lange Faser: ein Aggregat aus 500 Å Fäden/Garn aus anorganischer, langer Faser, die Si, C, O und H enthält, und eine Zusammensetzung aus kristallinem SiC mit einer Größe von nicht mehr als 500 Å und amorphes SiO&sub2; umfaßt. Jeder Faden hatte einen Durchmesser von 14 um und eine Elementzusammensetzung von Si: 58,3 Gew.-%, C: 30,4 Gew.-%, O: 11,1 Gew.-% und H: 0,2 Gew.-% in ihrem Inneren, und hatte eine Kohlenstoffbeschichtung auf ihrer Oberfläche mit einer Dicke von 130 nm. Die Faser wurde mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyvinylalkohol klebrig gemacht.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 600ºC erwärmt, um das Klebemittel zu entfernen.
Schritt 2: Die Faser wurde durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus CaO·MgO· Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; (Glaskeramik) hindurchgeschickt, der durch Ultraschalldispersion (enthält 10 Vol.-% Polyethylenoxid als Faserklebemittel) hergestellt wurde, damit die Glaskeramik an der Faser anhaftet.
Schritt 3: Die Fasern mit der an ihnen anhaftenden Glaskeramik wurden durch einen Schlitz bewegt, um zu einem Drahtgeformt zu werden.
Schritt 4: Der Draht wurde fortlaufend bei 1100ºC in Stickstoff behandelt, um die anhaftende Glaskeramik schmelzzusintern.
Schritt 5: Der Draht wurde weiter fortlaufend bei 1300ºC in Stickstoff schmelzbehandelt. Die sich ergebende drahtförmige Verstärkung hätte eine Zugfestigkeit von 2,2 GPa und eine Bruchdehnung von 0,17%, gemessen mit einer Zugspannungsprüfung bei 1200ºC in Luft.

BEISPIEL 4

Die folgenden Schritte 1 bis 5 wurden in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei Fäden aus anorganischer, langer Faser, die unten gezeigt ist, verwendet wurden, um eine bandförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe zu erhalten, die aus 60 Vol.-% amorpher Glaskeramik besteht, die die folgende Zusammensetzung aufweist und teilweise β-Spodumen-Kristallite und 40 Vol.-% dieser Faser enthielt.
Anorganische lange Faser: eine Aggregation aus 500 Fäden/Garn aus amorpher, anorganischer, langer Faser, die Si, C, O und H enthält, und eine Zusammensetzung aus kristallinem β-SiC mit einer Größe von nicht mehr als 100 und amorphes SiO&sub2; umfaßt. Jeder Faden hatte eine innere Elementzusammensetzung aus Si: 58,3 Gew.-%, C: 30,4 Gew.-%, O: 11,1 Gew.-% und H: 0,2 Gew.-%, einen Durchmesser von 12 bis 14 um und eine Kohlenstoffbeschichtung auf ihrer Oberfläche mit einer Dicke von 130 nm. Die Faser wurde mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyvinylalkohol klebrig gemacht.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 400ºC in Luft erwärmt.
Schritt 2: Die Fäden wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus Li&sub2;O&sub3;Al&sub2;O&sub3;· MgO·SiO&sub2;·Nb&sub2;O&sub5; (Glaskeramik) geschickt, der einen Spurenanteil ZrO&sub2; enthielt und durch Ultraschalldispersion (enthielt 10 Vol.-% an Polyethylenoxid als Fasernklebemittel) hergestellt ist.
Schritt 3: Die Fäden wurden durch Walzen bewegt, um sie zu einem 10 mm breiten Band zu formen.
Schritt 4: Das Band wurde bei 950ºC schmelzgesintert.
Schritt S: Das Band wurde weiter fortlaufend bei 1100ºC schmelzgesintert.
Die sich ergebende, bandförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe hatte eine Zugfestigkeit von 1,2 GPa und eine Bruchdehnung von 0,30%, gemessen mit einer Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur.

BEISPIEL 5

Die folgenden Schritte 1 bis 5 wurden in der beschriebenen Reihenfolge unter Verwendung von Fäden aus anorganischer, langer Faser durchgeführt, die unten gezeigt ist, um eine drahtförmige Verstärkung zu erhalten, die aus 10 Vol.-% Glaskeramik, die amorphes teilweise Cordierit enthaltendes MgO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; umfaßt, und 90 Vol.-% dieser Faser besteht.
Anorganische, lange Faser: ein Aggregat aus 200 Fäden/Garn anorganischer, langer Faser, die Si, N, C, O und H enthält und hauptsächlich eine Zusammensetzung aus Si&sub3;N&sub4; Kristalliten mit einer Größe von nicht mehr als 2000 Å umfaßt. Jeder Faden hatte · einen Durchmesser von 10 bis 20 um und eine Elementzusammensetzung von Si: 59,2 Gew.-%, N: 37,5 Gew.-%, C: 1,5 Gew.-%, O: 1,5 Gew.-% und H: 0,3 Gew.-% in ihrem Inneren. Die Faser wurde mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyvinylalkohol klebrig gemacht.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 600ºC in Luft erwärmt, um das Klebemittel zu entfernen.
Schritt 2: Die Fasern wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus MgO·Al&sub2;O&sub3; SiO&sub2;·(Glaskeramik) geschickt, die durch Ultraschalldispersion (enthielt 10 Vol.-% an Polyethylenoxid als Fasernklebemittel) hergestellt war, damit die Glaskeramik an den Fasern haftet.
Schritt 3: Die Fasern mit der daran anhaftenden Glaskeramik wurde durch einen Schlitz geführt, um zu einem Draht geformt zu werden.
Schritt 4: Der Draht wurde fortlaufend bei 1100ºC in Stickstoff behandelt, um die anhaftende Glaskeramik schmelzzusintern.
Schritt S: Der Draht wurde weiter fortlaufend bei 1300ºC in Stickstoff wärmebehandelt.
Die sich ergebende, drahtförmige Verstärkung hatte eine Zugfestigkeit von 1,7 GPa und eine Bruchdehnung von 0,16%, gemessen mit einer Zugfestigkeitsprüfung bei einer Temperatur von 1200ºC in Luft.

BEISPIEL 6

Die folgenden Schritte 1 bis 5 wurden in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei Fäden aus anorganischer, langer Faser, die unten gezeigt ist, verwendet wurden, um eine bandförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe zu erhalten; die aus 60 Vol.-% amorpher Glaskeramik besteht, die die folgende Zusammensetzung aufweist und teilweise β-Spodumen Kristallite und 40 Vol.% dieser Faser enthielt.
Anorganische lange Faser: ein Aggregat aus 200 Fäden/Garn aus anorganischer, langer Faser, die Si, N, C, O und H enthält, und hauptsächlich ein Aggregat aus Si&sub3;N&sub4; Kistalliten mit einer Größe von nicht mehr als 2000k umfaßt. Jeder Faden hatte einen Durchmesser von 10 bis 20 um und eine innere Elementzusammensetzung aus Si: 59,2 Gew.-%, N: 37,5 Gew.-%, C: 1,5 Gew.-%, O: 1,5 Gew.-% und H: 0,3 Gew.-%. Die Faser wurde mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyvinylalkohol klebrig gemacht.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 600ºC in Luft erwärmt.
Schritt 2: Die Fäden wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus Li&sub2;O&sub3;·Al&sub2;O&sub3;· MgO·SiO&sub2;·Nb&sub2;O&sub5; (Glaskeramik) geschickt, der einen Spurenanteil ZrO&sub2; enthielt und durch Ultraschalldispersion (enthielt 10 Vol.-% an Polyethylenoxid als Fasernklebemittel) hergestellt war.
Schritt 3: Die Fäden wurden durch Walzen bewegt, um sie zu einem 10 mm breiten Band zu formen.
Schritt 4: Das Band wurde bei 950ºC schmelzgesintert.
Schritt S: Das Band wurde weiter fortlaufend bei 1100ºC schmelzgesintert.
Die sich ergebende, bandförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe hatte eine Zugfestigkeit von 1,0 GPa und eine Bruchdehnung von 0,29%, gemessen mit einer Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur.

Beispiel 7

Die folgenden Schritte 1 bis 5 wurden in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei anorganische, lange Faserfäden, die unten gezeigt sind, verwendet wurden, um eine drahtförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe zu erhalten, die aus 10 Vol.-% amorphen BaO·MgO·Al&sub2;O&sub3;·SiO&sub2; besteht, das teilweise Bariumosumilit und 90 Vol.-% dieser anorganischen, langen Faser umfaßt.
Anorganische lange Faser: ein Aggregat aus 1800 Fäden/Garn aus anorganischer, langer Faser, die Al, Si, B und O enthält und ein Aggregat aus kristallinem Mullit und amorphem SiO&sub2; umfaßt. Jeder Faden hatte einen Durchmesser von 10 bis 20 um und eine Elementzusammensetzung aus Al: 37,1 Gew.-%, Si: 18,1 Gew.-%, B: 0,6 Gew.-%, und O: 44,2 Gew.-% in ihrem Inneren. Jeder Faden hatte eine 100 nm Dicke Bn Beschichtung auf seiner Oberfläche.
Die Faser ist mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyethylenoxid klebrig gemacht worden.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 600ºC in Luft erwärmt, um das Klebemittel zu entfernen.
Schritt 2: Die Fäden wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus BaO·MgO·Al&sub2;O&sub3;SiO&sub2; (Glaskeramik) geschickt, der durch Ultraschalldispersion hergestellt wurde (enthält 10 Vol.-% Polyethylenoxid als Faserklebemittel), damit die Glaskeramik an den Fäden anhaftet.
Schritt 3: Die Fäden mit der an ihnen anhaftenden Glaskeramik wurden durch einen Schlitz geschickt, um zu Draht geformt zu werden.
Schritt 4: Der Draht wurde fortlaufend bei 1100ºC in einer Stickstoffatmosphäre behandelt, damit die anhaftende Glaskeramik schmelzgesintert.
Schritt 5: Der Draht wurde weiter fortlaufend bei 1300ºC in Stickstoff wärmebehandelt.
Die sich ergebende, drahtförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe hatte eine Zugfestigkeit von 1,3 GPa und eine Bruchdehnung von 0,20%, wie sie bei einer Zugfestigkeitsprüfung bei 1200ºC in Luft gemessen wurde.

BEISPIEL 8

Die folgenden Schritte 1 bis 5 wurden in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei Fäden aus anorganischer, langer Faser, die unten gezeigt ist, verwendet wurden, um eine bandförmige Verstärkung zu erhalten, die aus 60 Vol.-% amorpher Glaskeramik besteht, die die unten gezeigte Zusammensetzung aufweist und zum Teil β-Spodumen- Kristallite und 40 Vol.-% dieser Faser enthielt.
Anorganische lange Faser: ein Aggregat aus 1800 Fäden/Garn aus anorganischer, langer Faser, die Al, Si, B und H enthält, und eine Zusammensetzung aus β-SiC Kistalliten mit einer Größe von nicht mehr als 100 und amorphes SiO&sub2; umfaßt. Jeder Faden hatte einen Durchmesser von 10 bis 20 um und eine innere Elementzusammensetzung aus Al: 37,1 Gew.-%, Si: 18,1 Gew.-%, B: 0,6 Gew.-%, und O: 44,2 Gew.-%. Jeder Faden hatte ine 100 nm dicke BN Beschichtung auf seiner Oberfläche. Die Faser wurde mit 0,5 bis 1 Gew.-% Polyvinylalkohol klebrig gemacht.
Schritt 1: Die Faser wurde fortlaufend bei 600ºC in Luft erwärmt.
Schritt 2: Die Fäden wurden durch einen Schlamm aus feinen Teilchen aus Li&sub2;O3Al&sub2;O&sub3;· MgO·SiO&sub2;·Nb&sub2;O&sub5; (Glaskeramik) geschickt, der einen Spurenanteil ZrO&sub2; enthielt und durch Ultraschalldispersion (enthielt 10 Vol.-% an Polyethylenoxid als Fasernklebemittel) hergestellt war.
Schritt 3: Die Fäden wurden durch Walzen bewegt; um sie zu einem 10 mm breiten Band zu formen.
Schritt 4: Das Band wurde bei 950ºC schmelzgesintert.
Schritt 5: Das Band wurde weiter fortlaufend bei 1100ºC schmelzgesintert.
Die sich ergebende, bandförmige Verstärkung hatte eine Zugfestigkeit von 0,7 GPa und eine Bruchdehnung von 0,18%, gemessen mit einer Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur.

BEISPIEL 9

Die drahtförmige Verstärkung für Verbundwerkstoffe, die im Beispiel 1 erhalten wurde, wurde auf Längen von 90 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 50 mm angeordnet.
Zerstäubtes TiAl (intermetallische Verbindung) Pulver mit einer Teilchengröße von 90 bis 150 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, drahtförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff zu erhalten, der 65 Vol.-% der drahtförmigen Verstärkungen und 35 Vol.-% TiAl enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden laminiert und bei 950ºC und 10 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch drahtförmige Verstärkung verstärkten intermetallischen Verbindungs-(TiAl)-Verbundwerkstoff zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 50 mm und eine Dicke von 6 mm aufwies.
Der sich ergebende Intermetallverbindungs-Verbundwerkstoff zeigte im wesentlichen keine Änderung der Festigkeit von Raumtemperatur bis zu 900ºC bei einem Biegetest, der einen Durchschnitt einer Dreipunkt-Biegefestigkeit von 1,6 GPa ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen, oben beschriebenen Weise mit der Ausnahme hergestellt, daß die anorganischen, langen Faserfäden, die beim Beispiel 1 verwendet wurden, statt der oben erhaltenen Verstärkungen verwendet wurden. Als Ergebnis der Biegefestigkeitsmessung war die Dreipunkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur so gering wie 0,1 wie 0,2 GPa. Der Grund hierfür ist die Reaktion zwischen der Faser und TiAl oder das Schneiden der Faser während der Herstellung der kunststoffimprägnierten Flächenstoffe durch Vakuumplasmasprühen oder die Reaktion zwischen der Faser und TiAl während des Heißpressens.

BEISPIEL 10

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 1 erhalten wurde, würde auf Längen von 120 mm geschnitten und unidirektional in einer rechteckigen, geteilten Graphitform angeordnet, die aus einer oberen Kraft und einer unteren Kraft gebildet ist. Die obere, die untere und die seitlichen Wände der Form hatten jeweils mehrere Löcher, durch die geschmolzenes Metall eingespritzt werden konnte.
Die Kohlenstofform, die die Verstärkungen enthielt, wurde bei 700ºC während 30 Minuten vorgewärmt, auf einer Verdichtungsgießmaschine angebracht und schnell in eine Form eingesetzt, die bei 400ºC gehalten wurde. Die Form wurde geschlossen und eine geschmolzene Aluminiumlegierung A6061 bei 700ºC wurde in die Kohlenstofform mittels eines Kolbens unter einem Druck von 100 MPa gespritzt, und man ließ sie sofort abkühlen, während dieser Druck während 40 Sekunden (Verdichtungsgießverfahren) beibehalten wurde, um einen 40 mm breiten, 120 mm langen und 5 mm dicken Metallverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 40 Vol.-% drahtförmigen Verstärkungen und 60 Vol.-% der A6061 Matrix besteht.
Als der sich ergebende Metallverbundwerkstoff durch einen Dreipunkt-Biegetest in Luft untersucht wurde, ergaben die bei 400ºC erhaltenen Ergebnisse einen Durchschnitt von 1,3 GPa, was gleich demjenigen war, der bei Raumtemperatur erhalten wurde.

BEISPIEL 11

Die bandförmige Verstärkung, die im Beispiel 2 erhalten wurde, wurde auf Längen von 60 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 60 mm angeordnet.
Zerstäubtes Pulver aus einer α + β Titanlegierung Ti-6Al-4V mit einer Teilchengröße von 60 bis 90 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, bandförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff für einen metallischen Verbundwerkstoff zu erhalten, der 50 Vol.-% der bandförmigen Verstärkungen und 50 Vol.- % Titanlegierung enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden mit abwechselnden Winkeln von 0º und 90º laminiert und bei 700ºC und 20 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch bandförmige Verstärkung verstärkten, metallischen Verbundwerkstoff zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 60 mm und eine Dicke von 4 mm aufwies.
Der sich ergebende metallische Verbundwerkstoff hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 0,6 GPa bei 500ºC in Luft.

BEISPIEL 12

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 3 erhalten wurde, wurde auf Längen von 90 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 50 mm angeordnet.
Zerstäubtes TiAl (intermetallisches Verbindungs) Pulver mit einer Teilchengröße von 90 bis 150 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, drahtförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff zu erhalten, der 65 Vol.-% der drahtförmigen Verstärkungen und 35 Vol.-% TiAl enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden laminiert und bei 950ºC und 10 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch drahtförmige Verstärkung verstärkten (TiAl)-Verbundwerkstoff mit intermetallischer Verbindung zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 50 mm und eine Dicke von 6 mm aufwies.
Der sich ergebende Verbundwerkstoff mit intermetallischer Verbindung zeigte im wesentlichen keine Änderung der Festigkeit von Raumtemperatur bis zu 900ºC bei einer Zugfestigkeitsprüfung, die eine Zugfestigkeit von 1,3 GPa ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen, oben beschriebenen Weise (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß die anorganischen, langen Faserfäden, die beim Beispiel 3 verwendet wurden, statt der oben erhaltenen Verstärkungen verwendet wurden. Als Ergebnis der Biegefestigkeitsmessung war die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur so gering wie 0,1 bis 0,2 GPa. Der Grund hierfür ist die Reaktion zwischen der Faser und TiAl oder das Schneiden der Faser während der Herstellung der kunststoffimprägnierten Flächenstoffe durch Vakuumplasmasprühen oder die Reaktion zwischen der Faser und TiAl während des Heißpressens.

BEISPIEL 13

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 3 erhalten wurde, wurde auf Längen von 120 mm geschnitten und unidirektional in einer rechteckigen, geteilten Graphitform angeordnet, die aus einer oberen Kraft und einer unteren Kraft gebildet ist. Die obere, die untere und die seitlichen Wände der Form hatten jeweils mehrere Löcher, durch die geschmolzenes Metall eingespritzt werden konnte.
Die Kohlenstofform, die die Verstärkungen enthielt, wurde bei 700ºC während 30 Minuten vorgewärmt, auf einer Verdichtungsgießmaschine angebracht und schnell in eine Form eingesetzt, die bei 400ºC gehalten wurde. Die Form wurde geschlossen und eine geschmolzene Aluminiumlegierung A6061 bei 700ºC wurde in die Kohlenstofform mittels eines Kolbens unter einem Druck von 100 MPa gespritzt, und man ließ sie sofort abkühlen, während dieser Druck während 40 Sekunden (Verdichtungsgießverfahren) beibehalten wurde, um einen 40 mm breiten, 120 mm langen und 5 mm dicken Metallverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 40 Vol.% drahtförmigen Verstärkungen und 60 Vol.-% der A6061 Matrix besteht.
Als der sich ergebende Metallverbundwerkstoff durch einen Dreipunkt-Biegetest in Luft untersucht wurde, ergaben die bei 400ºC erhaltenen Ergebnisse einen durchschnittliche Dreipunkt-Biegefestigkeit von 1,2 GPa, was gleich demjenigen war, der bei Raumtemperatur erhalten wurde:

BEISPIEL 14

Die bandförmige Verstärkung, die im Beispiel 4 erhalten wurde, wurde auf Längen von 60 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 60 mm angeordnet.
Zerstäubtes Pulver aus einer α + β Titanlegierung Ti-6Al-4V mit einer Teilchengröße von 60 bis 90 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, bandförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff für einen metallischen Verbundwewrkstoff zu erhalten, der 50 Vol.-% der bandförmigen Verstärkungen und 50 Vol.-% Titanlegierung enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden mit abwechselnden Winkeln von 0º und 90º laminiert und bei 700ºC und 20 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch bandförmige Verstärkung verstärkten, metallischen Verbundwerkstoff zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 60 mm und eine Dicke von 4 mm aufwies.
Der sich ergebende metallische Verbundwerkstoff hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 0,5 GPa bei 500ºC in Luft.

BEISPIEL 15

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 5 erhalten wurde, wurde auf Längen von 90 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 50 mm angeordnet.
Zerstäubtes TiAl (intermetallisches Verbundungs) Pulver mit einer Teilchengröße von 90 bis 150 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, drahtförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff zu erhalten, der 65 Vol.-% der drahtförmigen Verstärkungen und 35 Vol.-% TiAl enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden laminiert und bei 950ºC und 10 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch drahtförmige Verstärkung verstärkten (TiAl)-Verbundwerkstoff mit intermetallischer Verbindung zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 50 mm und eine Dicke von 6 mm aufwies.
Der sich ergebende Verbundwerkstoff mit intermetallischer Verbindung zeigte im wesentlichen keine Änderung der Festigkeit von Raumtemperatur bis zu 900ºC bei einer Zugfestigkeitsprüfung, die eine Zugfestigkeit von 1,3 GPa ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen, oben beschriebenen Weise (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß die anorganischen, langen Faserfäden, die beim Beispiel 5 verwendet wurden, statt der oben erhaltenen Verstärkungen verwendet wurden. Als Ergebnis der Biegefestigkeitsmessung war die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur so gering wie 0,1 bis 0,2 GPa. Der Grund hierfür ist die Reaktion zwischen der Faser und TiAl oder das Schneiden der Faser während der Herstellung der kunststoffimprägnierten Flächenstoffe durch Vakuumplasmasprühen oder die Reaktion zwischen der Faser und TiAl während des Heißpressens.

BEISPIEL 16

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 5 erhalten wurde, wurde auf Längen von 120 mm geschnitten und unidirektional in einer rechteckigen, geteilten Graphitform angeordnet, die aus einer oberen Kraft und einer unteren Kraft gebildet ist. Die obere, die untere und die seitlichen Wände der Form hatten jeweils mehrere Löcher, durch die geschmolzenes Metall eingespritzt werden konnte.
Die Kohlenstofform, die die Verstärkungen enthielt, wurde bei 700ºC während 30 Minuten vorgewärmt, auf einer Verdichtungsgießmaschine angebracht und schnell in eine Form eingesetzt, die bei 400ºG gehalten würde. Die Form wurde geschlossen und eine geschmolzene Aluminiumlegierung A6061 bei 700ºC wurde in die Kohlenstofform mittels eines Kolbens unter einem Druck von 100 MPa gespritzt, und man ließ sie sofort abkühlen, während dieser Druck während 40 Sekunden (Verdichtungsgießverfahren) beibehalten wurde, um einen 40 mm breiten, 120 mm langen und 5 mm dicken Metallverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 40 Vol.% drahtförmigen Verstärkungen und 60 Vol.-% der A6061 Matrix besteht.
Als der sich ergebende Metallverbundwerkstoff durch einen Dreipunkt-Biegetest in Luft untersucht wurde, ergaben die bei 400ºC erhaltenen Ergebnisse einen durchschnittliche Dreipunkt-Biegefestigkeit von 1,0 GPa, was gleich demjenigen war, der bei Raumtemperatur erhalten wurde.

BEISPIEL 17

Die bandförmige Verstärkung, die im Beispiel 6 erhalten wurde, wurde auf Längen von 60 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 60 mm angeordnet.
Zerstäubtes Pulver aus einer α + β Titanlegierung Ti-6Al-4V mit einer Teilchengröße von 60 bis 90 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, bandförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff für einen metallischen Verbundwewrkstoff zu erhalten, der 50 Vol.-% der bandförmigen Verstärkungen und 50 Vol.% Titanlegierung enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden mit abwechselnden Winkeln von 0º und 90º laminiert und bei 700ºC und 20 MPa während 1 Minute heißge preßt, um einen durch bandförmige Verstärkung verstärkten, metallischen Verbundwerkstoff zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 60 mm und eine Dicke von 4 mm aufwies.
Der sich ergebende metallische Verbundwerkstoff hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 0,3 GPa bei 500ºC in Luft.

BEISPIEL 18

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 3 erhalten wurde, wurde auf Längen von 90 mm geschnitten und unidirektional auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 50 mm angeordnet.
Zerstäubtes TiAl (intermetallisches Verbindungs) Pulver mit einer Teilchengröße von 90 bis 150 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, drahtförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff zu erhalten, der 65 Vol.-% der drahtförmigen Verstärkungen und 35 Vol.-% TiAl enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden laminiert und bei 950ºC und 10 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch drahtförmige Verstärkung verstärkten (TiAl)-Verbundwerkstoff mit intermetallischer Verbindung zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 50 mm und eine Dicke von 6 mm aufwies.
Der sich ergebende Verbundwerkstoff mit intermetallischer Verbindung zeigte im wesentlichen keine Änderung der Festigkeit von Raumtemperatur bis zu 900ºC bei einer Zugfestigkeitsprüfung, die eine Zugfestigkeit von 0,9 GPa ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen, oben beschriebenen Weise (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß die anorganischen, langen Faserfäden, die beim Beispiel 7 verwendet wurden, statt der oben erhaltenen Verstärkungen verwendet wurden.
Als Ergebnis der Biegefestigkeitsmessung war die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur so gering wie 0,1 bis 0,2 GPa. Der Grund hierfür ist die Reaktion zwischen der Faser und TiAl oder das Schneiden der Faser während der Herstellung der kunststoffimprägnierten Flächenstoffe durch Vakuumplasmasprühen oder die Reaktion zwischen der Faser und TiAl während des Heißpressens.

BEISPIEL 19

Die drahtförmige Verstärkung, die im Beispiel 7 erhalten wurde, wurde auf Längen von 120 mm geschnitten und unidirektional in einer rechteckigen, geteilten Graphitform angeordnet, die aus einer oberen Kraft und einer unteren Kraft gebildet ist. Die obere, die untere und die seitlichen Wände der Form hatten jeweils mehrere Löcher, durch die geschmolzenes Metall eingespritzt werden konnte.
Die Kohlenstofform, die die Verstärkungen enthielt, wurde bei 700ºC während 30 Minuten vorgewärmt, auf einer Verdichtungsgießmaschine angebracht und schnell in eine Form eingesetzt, die bei 400ºC gehalten wurde. Die Form wurde geschlossen und eine geschmolzene Aluminiumlegierung A6061 bei 700ºC wurde in die Kohlenstofform mittels eines Kolbens unter einem Druck von 100 MPa gespritzt, und man ließ sie sofort abkühlen, während dieser Druck während 40 Sekunden (Verdichtungsgießverfahren) beibehalten wurde, um einen 40 mm breiten, 120 mm langen und 5 mm dicken Metallverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 40 Vol.% drahtförmigen Verstärkungen und 60 Vol.-% der A6061 Matrix besteht.
Als der sich ergebende Metallverbundwerkstoff durch einen Dreipunkt-Biegetest in Luft untersucht wurde, ergaben die bei 400ºC erhaltenen Ergebnisse einen durchschnittliche Dreipunkt-Biegefestigkeit von 0,7 GPa, was gleich demjenigen war, der bei Raumtemperatur erhalten wurde.

BEISPIEL 20

Die bandförmige Verstärkung, die im Beispiel 8 erhalten wurde, wurde auf Längen von 60 mm geschnitten und unidirektionäl auf einer mit einer Aluminiumfolie beschichteten Kohlenstoffplatte mit einer Weite von 60 mm angeordnet.
Zerstäubtes Pulver aus einer α + β Titanlegierung Ti-6Al-4V mit einer Teilchengröße von 60 bis 90 um wurde auf und zwischen den unidirektional angeordneten, bandförmigen Verstärkungen durch Vakuumplasmasprühen in einer Argonatmosphäre bei 20 Torr abgeschieden, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff für einen metallischen Verbundwewrkstoff zu erhalten, der 50 Vol.-% der bandförmigen Verstärkungen und 50 Vol.% Titanlegierung enthält.
Die sich ergebenden kunststoffimprägnierten Flächenstoffe wurden mit abwechselnden Winkeln von 0º und 90º laminiert und bei 700ºC und 20 MPa während 1 Minute heißgepreßt, um einen durch bandförmige Verstärkung verstärkten, metallischen Verbundwerkstoff zu erhalten, der eine Länge von 90 mm, eine Weite von 60 mm und eine Dicke von 4 mm aufwies.
Der sich ergebende metallische Verbundwerkstoff hatte eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 0,3 GPa bei 500ºC in Luft.

BEISPIEL 21

Die in Beispiel 1 erhaltene drahtförmige Verstärkung wurde auf Längen von 6 cm geschnitten und unidirektional unter Verwendung von Polyethylenoxid als Binder angeordnet, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff herzustellen, der ein PolyethylenoxidlVerstärkungs-Volumenverhältnis von 1/10 hatte. Die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe und Si&sub3;N&sub4; Pulver, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 um aufwies und 4 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; und 4 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthielt, wurden abwechseln in einer Kohlenstofform laminiert, und das Laminat wurde bei 1750ºC und 500 kg/cm² während 30 Minuten heißgepreßt, um einen 60 mm langen, 30 mm breiten und 5 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 60 Vol.-% der Verstärkungen und 40 Vol.-% S&sub1;&sub3;N&sub4;/Y&sub2;O&sub3;Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff zeigte im wesentlichen keine Festigkeitsänderung bei einem Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur bis 1200ºC, wobei sich eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 1,5 GPa und eine durchschnittliche Bruchdehnung von 0,15% ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen Weise, wie oben beschrieben (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß anorganische, lange Faserfäden, wie im Beispiel 1 verwendet, statt der Verstärkungen verwendet wurden. Die Zugfestigkeit des sich ergebenden Verbundwerkstoffs bei Raumtemperatur gemessen, war so gering wie ungefähr 0,3 GPa wegen der Verschlechterung durch die Reaktion zwischen der Faser und Si&sub3;N&sub4; während des Heißpressens. Die Bruchdehnung war so niedrig wie 0,07%.

BEISPIEL 22

Die in Beispiel 2 hergestellte, bandförmige Verstärkung wurde durch eine Ethylalkohollösung aus Polyethylenglycol mit darin dispergiertem Al&sub2;O&sub3; Pulver transportiert, das eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 1 um aufwies und getrocknet, wodurch das Al&sub2;O&sub3; Pulver an und zwischen den Verstärkungen mit Polyethylenglycol als ein Binder adsorbiert wurde, um ein Vorformflächenelement zu erhalten. Das Vorformflächenelement wurde auf eine Größe von 50 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten. Die geschnittenen Flächenelemente wurden laminiert und bei Raumtemperatur bei einem Druck bei 300 kg/cm² gepreßt und dann bei 1600ºC gesintert, wobei ein 100 mm langer, 50 mm breiter und 6 mm dicker, unidirektional verstärkter Keramikverbundwerkstoff erhalten wurde, der aus 30 Vol.-% Verstärkung und 70 Vol.-% Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff hatte eine Biegefestigkeit von 0,6 GPa bei 1000ºC in Luft und eine Bruchfestigkeit von 15 MPa m bei dieser Temperatur.

BEISPIEL 23

Die im Beispiel 1 hergestellten drahtförmigen Verstärkungen, die vorhergehend mit SiC mit einer Dicke von 0,2 um durch CVD beschichtet worden waren, wurden in eine Xylenlösung von Polytitancarbosilan, einem aus Si, Ti, C, H und O zusammengesetzten Organometallpolymer, eingebracht. Die Verstärkungen wurden unidirektional angeordnet und bei 140ºC in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet, um ein 500 mm weites Vorformflächenelement zu erhalten, das an den Verstärkungen adsorbierte Polytitancarbosilan aufwies. Das sich ergebende Vorformflächenelement wurde auf die Größe von 100 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten, und die geschnittenen Flächenelemente wurden unter Winkeln von 0ºC +45ºC, 90º und -45º laminiert. Das Laminat wurde bei 1600ºC unter einem Druck von 400 kg/cm² während 1 Stunde heißgepreßt, um einen 100 mm langen, 100 mm breiten und 2 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 70 Vol.% Verstärkungen und 30 Vol.-% Si-Ti-C Keramik (einem Pyrolyseprodukt von Polytitancarbosilan) enthielt.
Das sich ergebende Verbundwerkstoff hatte eine Zugfestigkeit von 0,75 GPa bei 1200ºC in Luft.

BEISPIEL 24

Die in Beispiel 3 erhaltene drahtförmige Verstärkung wurde auf Längen von 6 cm geschnitten und unidirektional unter Verwendung von Polyethylenoxid als Binder angeordnet, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff herzustellen, der ein Polyethylenoxid/Verstärkungs-Volumenverhältnis von 1/10 hatte.
Die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe und Si&sub3;N&sub4; Pulver, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 um aufwies und 4 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; und 4 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthielt, wurden abwechseln in einer Kohlenstofform laminiert, und das Laminat wurde bei 1750ºC und 500 kg/cm² während 30 Minuten heißgepreßt, um einen 60 mm langen, 30 mm breiten und 5 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 60 Vol.-% der Verstärkungen und 40 Vol.% S&sub1;&sub3;N&sub4;/Y&sub2;O&sub3;·Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff zeigte im wesentlichen keine Festigkeitsänderung bei einem Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur bis 1200ºC, wobei sich eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 1,4 GPa und eine durchschnittliche Bruchdehnung von 0,13% ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen Weise, wie oben beschrieben (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß anorganische, lange Faserfäden, wie im Beispiel 3 verwendet, statt der Verstärkungen verwendet wurden. Die Zugfestigkeit des sich ergebenden Verbundwerkstoffs bei Raumtemperatur gemessen, war so gering wie ungefähr 0,3 GPa wegen der Verschlechterung durch die Reaktion zwischen der Faser und Si&sub3;N&sub4; während des Heißpressens. Die Bruchdehnung war so niedrig wie 0,07%.

BEISPIEL 25

Die in Beispiel 4 hergestellte, bandförmige Verstärkung wurde durch eine Ethylalkohollösung aus Polyethylenglycol mit darin dispergiertem Al&sub2;O&sub3; Pulver transportiert, das eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 1 um aufwies und getrocknet, wodurch das Al&sub2;O&sub3; Pulver an und zwischen den Verstärkungen mit Polyethylenglycol als ein Binder adsorbiert wurde, um ein Vorformflächenelement zu erhalten. Das Vorformflächenelement wurde auf eine Größe von 50 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten. Die geschnittenen Flächenelemente wurden laminiert und bei Raumtemperatur bei einem Druck bei 300 kg/cm² gepreßt und dann bei 1600ºC gesintert, wobei ein 100 mm langer, 50 mm breiter und 6 mm dicker, unidirektional verstärkter Keramikverbundwerkstoff erhalten wurde, der aus 30 Vol.-% Verstärkung und 70 Vol.-% Al&sub2;O&sub3; besteht:
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff hatte eine Biegefestigkeit von 0,5 GPa bei 1000ºC in Luft und eine Bruchfestigkeit von 13 MPa/m bei dieser Temperatur.

BEISPIEL 26

Die im Beispiel 3 hergestellten drahtförmigen Verstärkungen, die vorhergehend mit SiC mit einer Dicke von 0,2 um durch CVD beschichtet worden waren, wurden in eine Xylenlösung von Polytitancarbosilan, einem aus Si, Ti, C, H und O zusammengesetzten Or ganometallpolymer, eingebracht. Die Verstärkungen wurden unidirektional angeordnet und bei 140ºC in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet, um ein 500 mm weites Vorformflächenelement zu erhalten, das an den Verstärkungen adsorbierte Polytitancarbosilan aufwies.
Das sich ergebende Vorformflächenelement wurde auf die Größe von 100 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten, und die geschnittenen Flächenelemente wurden unter Winkeln von 0ºC +45ºC, 90º und -45º laminiert. Das Laminat wurde bei 1600ºC unter einem Druck von 400 kg/cm² während 1 Stunde heißgepreßt, um einen 100 mm langen, 100 mm breiten und 2 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 70 Vol.-% Verstärkungen und 30 Vol.% Si-Ti-C Keramik (einem Pyrolyseprodukt von Polytitancarbosilan) enthielt.
Das sich ergebende Verbundwerkstoff hatte eine Zugfestigkeit von 0,6 GPa bei 1200ºC in Luft.

BEISPIEL 27

Die in Beispiel 5 hergestellte drahtförmige Verstärkung wurde auf Längen von 6 cm geschnitten und unidirektional unter Verwendung von Polyethylenoxid als Binder angeordnet, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff herzustellen, der ein Polyethylenoxid/Verstärkungs-Volumenverhältnis von 1/10 hatte.
Die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe und Si&sub3;N&sub4; Pulver, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 um aufwies und 4 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; und 4 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthielt, wurden abwechseln in einer Kohlenstofform laminiert, und das Laminat wurde bei 1750ºC und 500 kg/cm² während 30 Minuten heißgepreßt, um einen 60 mm langen, 30 mm breiten und 5 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 60 Vol.-% der Verstärkungen und 40 Vol.% S&sub1;&sub3;N&sub4;/Y&sub2;O&sub3;·Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff zeigte im wesentlichen keine Festigkeitsänderung bei einem Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur bis 1200ºC, wobei sich eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 1,2 GPa und eine durchschnittliche Bruchdehnung von 0,11% ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen Weise, wie oben beschrieben (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß anorganische, lange Faserfäden, wie im Beispiel 5 verwendet, statt der Verstärkungen verwendet wurden. Die Zugfestigkeit des sich ergebenden Verbundwerkstoffs bei Raumtemperatur gemessen, war so gering wie ungefähr 0,3 GPa wegen der Verschlechterung durch die Reaktion zwischen der Faser und Si&sub3;N&sub4; während des Heißpressens. Die Bruchdehnung war so niedrig wie 0,07%.

BEISPIEL 28.

Die in Beispiel 6 hergestellte, bandförmige Verstärkung wurde durch eine Ethylalkohollösung aus Polyethylenglycol mit darin dispergiertem Al&sub2;O&sub3; Pulver transportiert, das eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 1 um aufwies und getrocknet, wodurch das Al&sub2;O&sub3; Pulver an und zwischen den Verstärkungen mit Polyethylenglycol als ein Binder adsorbiert wurde, um ein Vorformflächenelement zu erhalten.
Das Vorformflächenelement wurde auf eine Größe von 50 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten. Die geschnittenen Flächenelemente wurden laminiert und bei Raumtemperatur bei einem Druck bei 300 kg/cm² gepreßt und dann bei 1600ºC gesintert, wobei ein 100 mm langer, 50 mm breiter und 6 mm dicker, unidirektional verstärkter Keramikverbundwerkstoff erhalten wurde, der aus 30 Vol.-% Verstärkung und 70 Vol.-% Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff hatte eine Biegefestigkeit von 0,5 GPa bei 1000ºC in Luft und eine Bruchfestigkeit von 13 MPa m bei dieser Temperatur.

BEISPIEL 29.

Die im Beispiel 5 hergestellten drahtförmigen Verstärkungen, die vorhergehend mit SiC mit einer Dicke von 0,2 um durch CVD beschichtet worden waren, wurden in eine Xylen lösung von Polytitancarbosilan, einem aus Si, Ti, C, H und O zusammengesetzten Organometallpolymer, eingebracht. Die Verstärkungen wurden unidirektional angeordnet und bei 140ºC in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet, um ein 500 mm weites Vorformflächenelement zu erhalten, das an den Verstärkungen adsorbierte Polytitancarbosilan aufwies.
Das sich ergebende Vorformflächenelement wurde auf die Größe von 100 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten, und die geschnittenen Flächenelemente wurden unter Winkeln von 0ºC + 45ºC, 90º und -45º laminiert. Das Laminat wurde bei 1600ºC unter einem Druck von 400 kg/cm² während 1 Stunde heißgepreßt, um einen 100 mm langen, 100 mm breiten und 2 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 70 Vol.-% Verstärkungen und 30 Vol.-% Si-Ti-C Keramik (einem Pyrolyseprodukt von Polytitancarbosilan) enthielt.
Das sich ergebende Verbundwerkstoff hatte eine Zugfestigkeit von 0,75 GPa bei 1200ºC in Luft.

BEISPIEL 30

Die in Beispiel 7 erhaltene drahtförmige Verstärkung wurde auf Längen von 6 cm geschnitten und unidirektional unter Verwendung von Polyethylenoxid als Binder angeordnet, um einen kunststoffimprägnierten Flächenstoff herzustellen, der ein Polyethylenoxid/Verstärkungs-Volumenverhältnis von 1/10 hatte.
Die kunststoffimprägnierten Flächenstoffe und Si&sub3;N&sub4; Pulver, das eine durchschnittliche Teilchengröße von 0,5 um aufwies und 4 Gew.-% Y&sub2;O&sub3; und 4 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthielt, wurden abwechseln in einer Kohlenstofform laminiert, und das Laminat wurde bei 1750ºC und 500 kg/cm² während 30 Minuten heißgepreßt, um einen 60 mm langen, 30 mm breiten und 5 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 60 Vol.-% der Verstärkungen und 40 Vol.% Si&sub3;N&sub4;/Y&sub2;O&sub3;·Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff zeigte im wesentlichen keine Festigkeitsänderung bei einem Zugfestigkeitsprüfung bei Raumtemperatur bis 1200ºC, wobei sich eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 1,0 GPa und eine durchschnittliche Bruchdehnung von 0,08% ergab.
Zum Vergleich wurden kunststoffimprägnierte Flächenstoffe und ein Verbundwerkstoff in der gleichen Weise, wie oben beschrieben (der Faservolumenanteil war der gleiche) mit der Ausnahme hergestellt, daß anorganische, lange Faserfäden, wie im Beispiel 7 verwendet, statt der Verstärkungen verwendet wurden. Die Zugfestigkeit des sich ergebenden Verbundwerkstoffs bei Raumtemperatur gemessen, war so gering wie ungefähr 0,3 GPa wegen der Verschlechterung durch die Reaktion zwischen der Faser und Si&sub3;N&sub4; während des Heißpressens. Die Bruchdehnung war so niedrig wie 0,07%.

BEISPIEL 31

Die in Beispiel 8 hergestellte, bandförmige Verstärkungen wurden durch ein Bad einer Ethylalkohollösung aus Polyethylenglycol mit darin dispergiertem Al&sub2;O&sub3; Pulver transportiert, das eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht mehr als 1 um aufwies und getrocknet, wodurch das Al&sub2;O&sub3; Pulver an und zwischen den Verstärkungen mit Polyethylenglycol als ein Binder adsorbiert wurde, um ein Vorformflächenelement zu erhalten.
Das Vorformflächenelement wurde auf eine Größe von 50 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten. Die geschnittenen Flächenelemente wurden laminiert, und bei Raumtemperatur bei einem Druck bei 300 kg/cm² gepreßt und dann bei 1600ºC gesintert, wobei ein 100 mm langer, 50 mm breiter und 6 mm dicker, unidirektional verstärkter Keramikverbundwerkstoff erhalten wurde, der aus 30 Vol.-% Verstärkungen und 70 Vol.% Al&sub2;O&sub3; besteht.
Der sich ergebende Keramikverbundwerkstoff hatte eine Biegefestigkeit von 0,4 GPa bei 1000ºC in Luft und eine Bruchfestigkeit von 13 MPa m bei dieser Temperatur.

BEISPIEL 32

Die im Beispiel 7 hergestellten drahtförmigen Verstärkungen, die vorhergehend mit SiC mit einer Dicke von 0,2 um durch CVD beschichtet worden waren, wurden in eine Xylen lösung von Polytitancarbosilan, einem aus Si, Ti, C, H und 0 zusammengesetzten Organometallpolymer, eingebracht. Die Verstärkungen wurden unidirektional angeordnet und bei 140ºC in einer Stickstoffatmosphäre getrocknet, um ein 500 mm weites Vorformflächenelement zu erhalten, das an den Verstärkungen adsorbierte Polytitancarbosilan aufwies'.
Das sich ergebende Vorformflächenelement wurde auf die Größe von 100 mm in der Weite und 100 mm in der Länge geschnitten, und die geschnittenen Flächenelemente wurden unter Winkeln von 0ºC +4500; 90º und -45º laminiert. Das Laminat wurde bei 1600ºC unter einem Druck von 400 kg/cm² während 1 Stunde heißgepreßt, um einen 100 mm langen, 100 mm breiten und 2 mm dicken Keramikverbundwerkstoff zu erhalten, der aus 70 Vol.-% Verstärkungen und 30 Vol.% Si-Ti-C Keramik (einem Pyrolyseprodukt von Polytitancarbosilan) enthielt.
Das sich ergebende Verbundwerkstoff hatte eine Zugfestigkeit von 0,5 GPa bei 1200ºC in Luft.

Claims

1. Verstärkung für Verbundwerkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Anzahl Fäden aus anorganischer, langer Faser umfaßt, wobei Glas und/oder Glaskeramik in die Zwischenräume zwischen den Fäden gefüllt ist, und Draht- oder Bandform aufweist, wobei die anorganische, lange Faser ist:

(a) ein Aggregat aus einem amorphen Stoff, der im wesentlichen Si, Ti und/oder Zr, C und O umfaßt, und einem kristallinen Stoff, der eine Größe von nicht mehr als 1 um (10.000 A) aufweist und β-SiC und TiC und/oder ZrC umfaßt, oder

(b) ein gemischtes System aus dem kristallinen Stoff und einem amorphen Stoff, der in der Nchbarschaft des kristallinen Stoffes vorhanden ist und SiOx und TiOx und/oder ZrOx (0 < x ≤ 2) umfaßt,

wobei die anorganische, lange Faser eine Elementzusammensetzung aus Si von 30 bis 80 Gew.-%, Ti und/oder Zr von 0,05 bis 8 Gew.-%, C von 15 bis 69 Gew.- % und O von 0,1 bis 20. Gew.-% aufweist.

2. Verstärkung für Verbundwerkstoffe, dadurch gekennzeichnet; daß diese eine Anzahl Fäden aus anorganischer, langer Faser umfaßt, wobei Glas und/oder Glaskeramik in die Zwischenräume zwischen den Fäden gefüllt ist, und Draht- oder Bandform aufweist, wobei

die anorganische, lange Faser Si, N, O, C, H und zu mindest ein Metall (M) umfaßt, das aus der Gruppe, die aus den Elementen besteht, die zu den Gruppen II bis VIII des periodischen Systems gehören, ausgewählt ist mit einem N/Si Atomverhältnis von 0,3 bis 3, einem O/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 15, einem C/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 7, einem H/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 1 und einem M/Si Atomverhältnis von nicht mehr als 5, und ein Röntgenkleinwinkelstreuintensitätsverhältnis von 1 bis 20 bei einem Streuwinkel von entweder 1º oder 0,5º aufweist.

3. Metallverbundwerkstoff, der aus einer Mehrzahl Verstärkungen gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 und einem Metall oder einer intermetallischen Verbindung zusammengesetzt ist, die in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Verstärkungen gefüllt ist.

4. Metallverbundwerkstoff, wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei das Metall eine Titanlegierung, eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesiumlegierung ist.

5. Metallverbundwerkstoff, wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei die intermetallische Verbindung eine intermetallische Titanaluminidverbindung oder eine intermetallische Niobiumaluminidverbindung ist.

6. Keramikverbundmaterial, das aus einer Mehrzahl Verstärkungen gemäß Anspruch 1 oder 2 zusammengesetzt ist, und wobei Keramik in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Verstärkungen gefüllt ist.

7. Keramikverbundmaterial, wie in Anspruch 6 beansprucht, wobei die Keramik zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Borid, einem Silicid und einem Oxid besteht.