DE69708682T2 - Methode zur herstellung von zusammengesetztem keramischen material - Google Patents
Methode zur herstellung von zusammengesetztem keramischen materialInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundmaterials, das Matrix- und Verstärkungsmaterialien sowie ein dazwischen liegendes schwaches Grenzflächenmaterial umfasst, wobei das Verbundmaterial insbesondere zur Verwendung bei Temperaturen oberhalb von 1400ºC und in einer oxidierenden Umgebung vorgesehen ist, und wobei die Matrix- und Verstärkungsmaterialien aus denselben oder unterschiedlichen keramischen Oxiden bestehen, die einen Schmelzpunkt über 1600ºC haben, und wobei das Grenzflächenmaterial in Verbindung mit diesen Materialien ein Spannungsfeld bildet, das zu Mikrorissbildung neigt.
- Um ein erwünschtes Rissverhalten von solchen keramischen Verbundmaterialien zu erhalten, wurden verschiedene Vorschläge gemacht, beispielsweise entsprechend der WO 93/22258 des Anmelders. In der Praxis hat es sich jedoch herausgestellt, dass eine Grenzflächenschicht aus ZrO&sub2; eine Bindung bildet, die meistens zu stark ist. Andererseits bildet Kohlenstoff eine geeignete schwache Bindung zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Matrix, zersetzt aber das Fasermaterial. Neben ZrO&sub2; erfüllt auch HfO&sub2; die Anforderungen an eine schwache Grenzflächenzone, in vieler Hinsicht ist jedoch eine noch schwächere Grenzfläche wünschenswert.
- Daher ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, durch das eine noch schwächere Grenzfläche erhalten wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Verstärkungsfasermaterial in einen Kohlenstoff und ZrO&sub2; enthaltenden Pulverschlicker eingebracht, um dadurch beschichtet zu werden, und dann getrocknet, wonach das Verbundmaterial an sich bekannten Grünformgebungs- und Verdichtungsschritten unterzogen und schließlich an Luft wärmebehandelt wird, wodurch eine poröse Struktur des Grenzflächenmaterials zurückbleibt. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Verstärkungsfasermaterial in einen ersten ZrO&sub2; enthaltenden Pulverschlicker eingebracht und damit beschichtet und dann getrocknet und in einen zweiten Kohlenstoff enthaltenden Pulverschlicker eingebracht und damit beschichtet und getrocknet, wonach das Verbundmaterial an sich bekannten Grünformgebungs- und Verdichtungsschritten unterzogen und schließlich an Luft wärmebehandelt wird, wodurch ein Spalt zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Matrix zurückbleibt. Wenn eine Beschichtung verwendet wird, die C/ZrO&sub2; enthält, ist es vorteilhaft, eine Pulverschlickertechnik einzusetzen, bei der ziemlich große Partikel verwendet werden, die eine stabile poröse Schicht bilden.
- Durch die vorliegende Erfindung ist es daher möglich, eine schwache Grenzfläche zu erhalten, die das notwendige Rissablenkungs- und Faser-Pullout-Verhalten während des Bruchs des Verbundmaterials gewährleistet.
- Es hat sich erwiesen, dass die Beschichtung, die auf Fasern aufgebracht ist, aus denen das Verstärkungsmaterial besteht und die in den Schlicker eingebracht werden, haftfest und stark genug ist, um die Grünformgebungs- und Verdichtungsprozesse zu überstehen. Nach der Verdichtung wird der C durch eine Wärmebehandlung an Luft entfernt und hinterlässt einen Spalt oder eine Porosität in der Oxidgrenzfläche. Der Volumenanteil des C kann variiert werden, um die gewünschte Grenzflächenfestigkeit zu erhalten. Die Grenzfläche, die durch diese Erfindung hergestellt wird, ist bei hohen Temperaturen für lange Zeiten stabil, da die Poren die richtige Größe haben, d. h. groß genug sind.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jedoch ein weiterer Weg zur Verfügung gestellt, eine Grenzfläche zu erhalten, die schwach genug ist, nämlich indem eine flüchtige Schicht hinzugefügt wird. Bei diesem Verfahren wird die Verstärkung zuerst in einen C-Pulverschlicker eingebracht, getrocknet und dann in einen Oxid(ZrO&sub2;)-Pulverschlicker eingebracht, wodurch eine doppelte oder sequentielle Beschichtung gebildet wird. Wiederum ist diese Beschichtung stark und haftfest genug, um die Grünformgebung und Verdichtung zu überstehen. Nach der Verdichtung wird der C durch eine Wärmebehandlung entfernt, wodurch ein Spalt zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Oxidgrenzfläche zurückbleibt. Die Oberflächenrauhigkeit der Verstärkungs- und Matrixmaterialien ist ausreichend, um einen Lasttransfer zwischen dem Verstärkungsmaterial und dem Matrixmaterial zu ermöglichen. Das Fehlen einer Bindung zwischen der Oxidgrenzfläche und dem Verstärkungsmaterial gewährleistet eine wirksame Rissablenkung. Das Ausmaß des Lasttransfers und des Reibungswiderstands zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Matrix, das das Faser-Pullout-Verhalten steuert, kann durch Variation der Dicke der flüchtigen C-Schicht variiert werden.
- Die Anwesenheit einer Oxidgrenzfläche verhindert eine mögliche carbothermische Reduktion der Oberfläche des Verstärkungsfasermaterials aus Einkristall-Al&sub2;O&sub3;-Fasern (zu Al&sub4;C&sub3;), wodurch die mechanischen Eigenschaften in Folge der erzeugten Defekte verschlechtert würden. Die Anwesenheit einer Oxidgrenzfläche (insbesondere im Fall einer C/ZrO&sub2;-Mischung) erhöht lokal den Sauerstoffpartialdruck und verhindert somit, dass die carbothermische Reduktion stattfindet.
- Einkristallfasern aus Al&sub2;O&sub3; (von Saphikon Inc., USA) wurden mit einer dünnen Schicht einer C/ZrO&sub2;-Mischung bedeckt. Dies wurde durch Einbringen der Fasern in einen Schlicker aus C/ZrO&sub2;- Pulver in Wasser erreicht. Das Volumenverhältnis von C zu ZrO&sub2; betrug 1/1. Nach dem Trocknen wurden die beschichteten Fasern in einer Gipsform zu einer Faservorform gestapelt. Ein Al&sub2;O&sub3;- Pulverschlicker wurde darüber gegossen und ein Druckgradient angelegt, um eine gute Infiltration der Faservorform zu erreichen.
- Nach dem Trocknen wurden die Grünkörper durch Heißpressen bei 1400ºC, 10 MPa 70 Minuten lang gesintert. Der Kohlenstoff wurde durch eine zehnstündige Wärmebehandlung bei 1250ºC ausgebrannt, wonach eine poröse ZrO&sub2;-Schicht zurückblieb. Nach dem Sintern und der Wärmebehandlung war das poröse ZrO&sub2; ungefähr 3 um dick. Die poröse ZrO&sub2;-Schicht bewirkte Rissablenkung und Faser- Pullout, was durch Biegeversuche nachgewiesen wurde. Weiterhin war die poröse ZrO&sub2;-Schicht bei 1400ºC 1000 Stunden lang stabil und bewirkte dennoch nach dieser Wärmebehandlung Rissablenkung und Faser-Pullout, was durch Biegeversuche nachgewiesen wurde.
- Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurde HfO&sub2; statt ZrO&sub2; verwendet.
- Einkristallfasern aus Al&sub2;O&sub3; (von Saphikon Inc., USA) wurden mit einer dünnen Doppelschicht aus C und ZrO&sub2; bedeckt. Dies wurde erreicht, indem die Fasern zuerst in einen Schlicker aus ZrO&sub2;- Pulver in Wasser und dann in einen Schlicker aus C-Pulver in Wasser eingebracht wurden. Nach dem Trocknen wurden die beschichteten Fasern in einer Gipsform zu einer Faservorform gestapelt. Ein Al&sub2;O&sub3;-Pulverschlicker wurde darüber gegossen und ein Druckgradient angelegt, um eine gute Infiltration der Faservorform zu erreichen.
- Nach dem Trocknen wurden die Grünkörper durch Heißpressen bei 1400ºC und 10 MPa 70 Minuten lang gesintert. Der C wurde durch eine zehnstündige Wärmebehandlung bei 1250ºC ausgebrannt, wonach ein Spalt von ungefähr 1 um zwischen der Zirkonoxidschicht und der Al&sub2;O&sub3;-Matrix zurückblieb. Nach dem Sintern und der Wärmebehandlung war die ZrO&sub2;-Schicht ungefähr 3 um dick und nicht an die Matrix gebunden. Der Spalt zwischen der Faser und der ZrO&sub2;-Schicht bewirkte Rissablenkung und Faser-Pullout, was durch Biegeversuche nachgewiesen wurde. (Des weiteren war die ZrO&sub2;-Schicht bei 1400ºC 1000 Stunden lang stabil und bewirkte dennoch nach dieser Wärmebehandlung Rissablenkung und Faser- Pullout, was durch Biegeversuche nachgewiesen wurde.)
- Beispiel 3 wurde wiederholt, jedoch HfO&sub2; statt ZrO&sub2; verwendet.
- Beispiel 3 wurde wiederholt, wobei jedoch die Reihenfolge der Schritte etwas verändert wurde, d. h. die Fasern wurden zuerst in einen Schlicker aus C-Pulver in Wasser und dann in einen Schlicker aus ZrO&sub2;-Pulver eingebracht, was ein ähnlich vorteilhaftes Ergebnis ergab.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Verbundmaterials, das Matrix- und Verstärkungsmaterialien sowie ein
dazwischen liegendes schwaches Grenzflächenmaterial umfasst, wobei
das Verbundmaterial insbesondere zur Verwendung bei
Temperaturen oberhalb von 1400ºC und in oxidierender Umgebung vorgesehen
ist, und wobei die Matrix- und Verstärkungsmaterialien aus
denselben oder unterschiedlichen keramischen Oxiden bestehen,
die einen Schmelzpunkt über 1600ºC haben, und wobei das
Grenzflächenmaterial in Verbindung mit diesen Materialien ein
Spannungsfeld bildet, das zu Mikrorissbildung neigt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungfasermaterial in
einen Kohlenstoff (C) und ZrO&sub2; enthaltenden Pulverschlicker
eingebracht wird, um auf diese Weise beschichtet zu werden, und
dann getrocknet wird, wonach das Verbundmaterial an sich
bekannten Grünformgebungs- und Verdichtungsschritten unterzogen
und schließlich an Luft wärmebehandelt wird, wodurch eine
poröse Struktur des Grenzflächenmaterials zurückbleibt.
2. Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Verbundmaterials, das Matrix- und Verstärkungsmaterialien sowie ein
dazwischen liegendes schwaches Grenzflächenmaterial umfasst, wobei
das Verbundmaterial insbesondere zur Verwendung bei
Temperaturen oberhalb von 1400ºC und in oxidierender Umgebung vorgesehen
ist, und wobei die Matrix- und Verstärkungsmaterialien aus
denselben oder unterschiedlichen keramischen Oxiden bestehen,
die einen Schmelzpunkt über 1600ºC haben, und wobei das
Grenzflächenmaterial in Verbindung mit diesen Materialien ein
Spannungsfeld bildet, das zu Mikrorissbildung neigt,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsfasermaterial in
einen ersten ZrO&sub2; enthaltenden Pulverschlicker eingebracht und
damit beschichtet und dann getrocknet wird und in einen zweiten
Kohlenstoff enthaltenden Pulverschlicker eingebracht und damit
beschichtet und getrocknet wird, wonach das Verbundmaterial an
sich bekannten Grünformgebungs- und Verdichtungsschritten
unterzogen und schließlich an Luft wärmebehandelt wird, wodurch
ein Spalt zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Matrix
zurückbleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verstärkungsmaterial, nachdem es mit Kohlenstoff
beschichtet wurde, nochmals in den ersten Schlicker eingebracht wird,
so dass es mit einer äußersten ZrO&sub2;-Beschichtung versehen wird.
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| FR2685693B1 (fr) * | 1991-12-30 | 1994-06-03 | Europ Propulsion | Procede de realisation d'une protection contre l'oxydation de produits en materiau composite, et produits ainsi proteges. |
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1997
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