CH654885A5 - Verfahren zur herstellung einer niete oder schraube sowie deren verwendung zur befestigung eines faserverstaerkten glasmatrix-verbundmaterials an einem bauteil. - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer niete oder schraube sowie deren verwendung zur befestigung eines faserverstaerkten glasmatrix-verbundmaterials an einem bauteil. Download PDFInfo
- Publication number
- CH654885A5 CH654885A5 CH2816/83A CH281683A CH654885A5 CH 654885 A5 CH654885 A5 CH 654885A5 CH 2816/83 A CH2816/83 A CH 2816/83A CH 281683 A CH281683 A CH 281683A CH 654885 A5 CH654885 A5 CH 654885A5
- Authority
- CH
- Switzerland
- Prior art keywords
- glass
- composite material
- component
- matrix
- screw
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 35
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims description 32
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims description 30
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims description 21
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 5
- JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N [Li].[Al] Chemical compound [Li].[Al] JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] Chemical compound [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 239000006017 silicate glass-ceramic Substances 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 claims 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000006112 glass ceramic composition Substances 0.000 description 5
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 5
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 239000002667 nucleating agent Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 0 CCON***[N+](*OC(NO[Cn]*O)=C(C)CCCCCC1CC(CC*C=*)C1)[O-] Chemical compound CCON***[N+](*OC(NO[Cn]*O)=C(C)CCCCCC1CC(CC*C=*)C1)[O-] 0.000 description 1
- 229920000914 Metallic fiber Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N aluminum magnesium Chemical compound [Mg].[Al] SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000805 composite resin Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 239000012784 inorganic fiber Substances 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
- B29C65/56—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using mechanical means or mechanical connections, e.g. form-fits
- B29C65/60—Riveting or staking
- B29C65/601—Riveting or staking using extra riveting elements, i.e. the rivets being non-integral with the parts to be joined
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
- B29C66/721—Fibre-reinforced materials
- B29C66/7212—Fibre-reinforced materials characterised by the composition of the fibres
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
- F16B33/00—Features common to bolt and nut
- F16B33/006—Non-metallic fasteners using screw-thread
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
- B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
- B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
- B29C66/721—Fibre-reinforced materials
- B29C66/7214—Fibre-reinforced materials characterised by the length of the fibres
- B29C66/72141—Fibres of continuous length
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
- B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
- B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
- B29K2105/08—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts of continuous length, e.g. cords, rovings, mats, fabrics, strands or yarns
- B29K2105/10—Cords, strands or rovings, e.g. oriented cords, strands or rovings
- B29K2105/101—Oriented
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Snaps, Bayonet Connections, Set Pins, And Snap Rings (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Niete oder Schraube aus einem Verbundmaterial aus einer faserverstärkten Glasmatrix oder Glaskeramikmatrix sowie die Verwendung der nach dem Verfahren hergestellten Nieten oder Schrauben zur Befestigung eines faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials an einem Bauteil.
Infolge der Knappheit und der steigenden Kosten für viele übliche Hochtemperatur-Konstruktionsmetalle hat man nicht-metallischen faserverstärkten Verbundmaterialien als Ersatz für übliche Hochtemperatur-Metallegierungen verstärkte Aufmerksamkeit gewidmet. Die Verwendung von Ersatzmaterialien für Metall, von hochfesten faserverstärkten Harz-Verbundmaterialien oder sogar hochfesten faserverstärkten Metallmatrix-Verbundmaterialien ist bereits soweit fortgeschritten, dass derartige Materialien für Produkte beginnend bei Sportartikeln bis hin zu hochentwickelten Teilen von Düsenflugzeugen kommerziell eingeführt sind. Eines der grossen Probleme dieser Verbundmaterialien liegt jedoch darin, dass ihre maximale Verwendungstemperatur begrenzt ist.
Keramik-, Glas- und Glaskeramik-Körper, die für Hochtemperatur-Anwendungszwecke verwendet werden können, sind dem Fachmann gut bekannt. Leider weisen derartige Körper jedoch häufig nicht die gewünschte mechanische Festigkeit auf und sind stets im Hinblick auf ihre Zähigkeit und Schlagfestigkeit unzureichend. Diese Situation hat dazu geführt, dass Körper aus Verbundmaterialien hergestellt wurden, die aus einer Matrix aus einem Keramik-, Glas- oder Glaskeramik-Material bestehen, in der anorganische Fasern in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Weise dispergiert sind. Diese im Folgenden als Glasmatrix-Verbundmaterialien bezeichneten Materialien sind in den US-PSen 4 314 852 und 4 324 843 beschrieben.
Wie oben angegeben, werden mögliche Anwendungen für derartige Materialien auf dem Gebiet der Gasturbinen-Triebwerke und anderer Wärmekraftmaschinen erwartet, bei denen die überlegene Bruchzähigkeit, die Oxidationsbestän-digkeit und die niedrige Dichte dieser Materialien zu ausgeprägten Verbesserungen im Hinblick auf die Gesamtleistungsfähigkeit des Antriebs und auf den Brennstoffverbrauch führen. In ähnlicher Weise wird erwartet, dass dieser faserverstärkten Verbundmaterialien auch für viele Hochtemperatur-Bauteile, die nicht zu Triebwerken oder Wärmekraftmaschinen gehören, bevorzugt werden, und zwar wegen ihrer ausgezeichneten Zähigkeit und Oxidationsbeständig-keit, wenn man als Vergleich unverstärkte Keramik- oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien wählt. Bei der Erzeugung von Befestigungen dieser Verbundmaterialien an gleichartige Materialien oder andere Bauteile aus Materialien wie Metall oder Keramik in derartigen Umgebungen haben sich jedoch Probleme ergeben oder sind vorauszusehen. Derartige Befestigungen müssen auch bei grossen Temperaturschwankungen dicht bleiben und es darf zu keiner Korrosion der Verbindungs-Teile infolge einer Wechselwirkung der Materialien oder einer Wechselwirkung der Teile mit der Triebwerks- bzw. Maschinen-Umgebung kommen. Es ist in den meisten Fällen zu erwarten, dass das faserverstärkte Verbundmaterial und seine Befestigung extremen Tempera-turbedingungen ausgesetzt sein werden. Demzufolge müssen die Befestigungsmittel die rauhesten Umgebungsbedingungen aushalten.
Es besteht daher auf dem vorliegenden Fachgebiet Bedürfnis nach einem Verfahren für die Befestigung von faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterialien an andere Bauteile in sicherer Weise, über ausgedehnte Zeiträume und unter extremen Umgebungsbedingungen.
Dies kann mit einer Schraube oder Niete erreicht werden, die gemäss der vorliegenden Erfindung dadurch hergestellt wird, dass man das Verbundmaterial in Blattform, wie es erhältlich ist aus einer Mischung einer Glasmatrix oder Glaskeramikmatrix, die 20 Vol.-% bis 60 Vol.-% hochtem-peraturfeste Fasern enthält, durch Warmpressen derselben unter Bildung eines Blattes eines hochtemperaturfesten faserverstärkten Verbundmaterials in Stäbe von im wesentlichen quadratischem Querschnitt zerschneidet, die zugeschnittenen Stäbe in einer Form unter Bildung von Stäben
2
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
3
654 885
mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt erhitzt, ein Ende der verformten Stäbe unter Bildung eines flachen Kopfabschnittes erhitzt und im Fall einer Schraube die Stäbe mit einem Gewinde versieht.
Eine solche Niete oder Schraube aus Siliciumcarbid-Fasern kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Längen in einer hochtemperatufesten Glasmatrix, die durch Formen oder Warmpressen hergestellt wurde, kann dazu verwendet werden, das Verbundmaterial an einem Bauteil zu befestigen. Die Verwendung derartiger Befestigungsmittel führt zu einer Kombination des Verbundmaterials mit dem Bauteil, die unter widrigsten Bedingungen wie beispielsweise extremen Temperaturschwankungen fest zusammenhält. Das Bauteil kann selbst aus einem faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterial bestehen, oder aber aus einem anderen Konstruktionsmaterial wie einem anderen Verbundmaterial, unverstärkter Keramik oder Metall.
Die obigen Ausführungen sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann in der nachfolgenden ergänzenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 typische Vorformlinge, Formen und geprägte Stäbe, die für die Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
Fig. 2 eine typische Form für das Prägen oder Nachpressen der Köpfe auf Nieten gemäss der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 gemäss der vorliegenden Erfindung hergestellte Nieten;
Fig. 4 eine Mikrophotographie eines Schnitts durch eine derartige Niete;
Fig. 5 eine Spannungs-Dehnungs-Kurve für die gebildeten Nieten während deren Prüfung;
Fig. 6 gebrochene Nieten nach der Prüfung;
Fig. 7 eine mit einem Gewinde versehene erfindungsge-mässe Schraube; und
Fig. 8 die Belastung, die erforderlich ist, um Gewinde in Siliciumcarbid-Glaskeramik-Verbundmaterial-Platten, die für die vorliegende Erfindung von Nutzen sind, abzuscheren.
Sowohl die Materialien als auch die Verfahren zur Herstellung solcher Befestigungsmittel sind in den US-PSen 4 314 852 und 4 324 843 der gleichen Erfinder beschrieben. Wie dort beschrieben wird, wurde trotz der Grundtatsache, dass jedes beliebige Borsilicat-Glas, das dem erfindungsge-mässen Verbundmaterial eine hohe Temperaturfestigkeit verleiht, verwendet werden kann, ein spezielles Borsilicat-Glas (Corning 7740, Corning Glass Works) als für dieses Verfahren besonders geeignet ermittelt. In ähnlicher Weise sind ein etwa 96 Gew.-% Siliciumdioxid enthaltendes Glas, das durch Auslaugen des Bors aus einem Borsilicat-Glas erhalten wurde (Corning 7930), sowie Corning 1723 bevorzugte Gläser mit einem hohen Siliciumdioxidgehalt bzw. Alumi-niumsilicat-Gläser. Während das Borsilicat-Glas und das Aluminiumsilicat-Glas in der handelsüblichen -0,044 mm Teilchengrösse verwendet werden kann, können die gewünschten Eigenschaften im Falle des Glases mit dem hohen Siliciumdioxidgehalt bei den Verbundmaterialien nur dann in befriedigender Weise erhalten werden, nachdem das Glas mehr als 100 Stunden in Propanol in einer Kugelmühle vermählen wurde. Es ist ferner daraufhinzuweisen, dass auch Mischungen der oben erwähnten Gläser verwendet werden können. Während jedes beliebige Glas oder jede beliebige Glaskeramik, die den Verbundmaterialien der vorliegenden Erfindung die erforderliche Festigkeit und Stabilität gegenüber der Einwirkung der Umgebung verleihen, verwendet werden können, erwies sich Lithium-aluminiumsilicat-Glas-keramik als ganz besonders gut für diesen Zweck geeignet.
Während der Verbundstoff-Verdichtung wird die Matrix im allgemeinen im Glaszustand gehalten, wodurch eine Zerstörung der Fasern vermieden wird und eine Verdichtung bei niedrigen angewandten Drucken gefördert wird. Nach der Verdichtung zu der gewünschten Konfiguration aus Faser + Matrix kann die Glasmatrix in den kristallinen Zustand überführt werden, wobei das Ausmass und der Grad der Kristallisation von der Matrixzusammensetzung und dem Programm der Wärmebehandlung gesteuert wird. Auf die beschriebene Weise kann eine grosse Anzahl von glaskeramischen Materialien verwendet werden, wobei jedoch bei der Verwendung von Siliciumcarbid-Fasern eine strenge Begrenzung hinsichtlich der Menge und Aktivität des Titans, das in dem Glas vorliegt, von ausschlaggebender Bedeutung ist. Wenn demzufolge Siliciumcarbid-Fasern und Titandioxid-Keimbildungsmittel verwendet werden, muss das Titandioxid desaktiviert werden oder unterhalb eines Anteils von 1 Gew.-% gehalten werden. Das kann dadurch erreicht werden, dass man einfach als Ersatz ein anderes Keimbildungsmittel wie Zirkoniumoxid an Stelle des üblichen Titandioxids verwendet, oder dass man ein Mittel zusetzt, das die Reaktivität des Titandioxids gegenüber der Siliciumcarbidfaser maskiert. Es ist jedoch in jedem der Fälle erforderlich, entweder die Wirkungen des Titandioxids auf die Siliciumcarbidfaser auszuschliessen oder zu maskieren, um ein Verbundmaterial mit guten Hochtemperatufestigkeits-Eigenschaften zu erhalten. Während übliches Lithium-Aluminiumsilikat das bevorzugte glaskeramische Material ist, können auch andere übliche glaskeramische Materialien wie Aluminiumsilikat, Magnesium-Aluminiumsilikat und Kombinationen der obengenannten Materialien verwendet werden, solange das keramische Matrixmaterial titanfrei ist (weniger als etwa 1 Gew.-%) oder maskiert ist (vergi. US-PS 4 324 843).
Im allgemeinen kann das glaskeramische Ausgangsmaterial im Glaszustand in Pulverform erhalten werden. Wenn jedoch das keramische Material in kristalliner Form erhalten wird, ist es erforderlich, das Material zu schmelzen und es in den Glazustand zu überführen, es dann zu verfestigen und anschliessend in Pulverform zu zerstampfen, vorzugsweise bis zu einer Teilchengrösse von etwa-0,044 mm, bevor man die erfindungsgemäss zu verwendenden Aufschlämmungen bereitet. Bei der Auswahl eines glaskeramischen Materials ist es wichtig, dass eins ausgewählt wird, das im Glaszustand verdichtet werden kann, wobei die Viskosität niedrig genug ist, eine vollständige Verdichtung mit anschliessender Überführung in einen im wesentlichen vollständig kristallinen Zustand zuzulassen. Es ist jedoch auch möglich, das kristalline Pulver-Ausgangsmaterial während einer Wärmevorbehandlung in den Glaszustand zu überführen, bevor man zum Zwecke der Verdichtung einen Druck anlegt.
Obwohl bei dem erfindungsgemässen Verfahren jedes beliebige Fasermaterial mit hoher Temperaturbeständigkeit verwendet werden kann, sind Siliciumcarbidfasern ganz besonders bevorzugt. Ein Multifilament-Siliciumcarbid-Garn mit einem mittleren Faserdurchmesser bis zu 50 (im, beispielsweise 5 bis 50 (im, ist ganz besonders bevorzugt. Ein derartiges Garn mit etwa 250 Fasern pro Werggarn und einem mittleren Faserdurchmesser von etwa 10 um wird von der Nippon Carbon Company of Japan hergestellt. Die durchschnittliche Festigkeit der Faser beträgt etwa 2000 MPa, und seine Einsatztemperatur erstreckt sich bis hinauf zu 1200 °C. Das Garn weist eine Dichte von etwa 2,6 g/cm3 auf und einen Elastizitätsmodul von etwa 221 GPa.
Wenn die Befestigung unter Verwendung der Nieten, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, bewirkt wird, wird das Ende der Niete genauso befestigt wie eine ganz gewöhnliche Niete befestigt werden würde,
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
654 885
4
und zwar durch Steigerung seiner Temperatur über den Erweichungspunkt der Glasmatrix, um ein Herausrutschen zu verhindern. Im Falle der Verwendung der Ausführungsform als Schraube kann eine übliche Metallmutter oder eine Mutter aus einem faserverstärkten Glasmatrix- oder Glaskeramik-Matrix-Verbundmaterial, die durch Ausschneiden entsprechender Stücke aus einem rechteckigen Blatt des Verbundmaterials, wie es oben für die Niete beschrieben wurde, oder durch Spritzgiessen hergestellt wurde, verwendet werden. In die aneinander zu befestigenden Teile werden Löcher gebohrt, in die die erfindungsgemässen Nieten und Schrauben passen.
Das Bohren eines Glaskeramikmatrix-Verbundmaterials wird am besten unter Verwendung eines Diamantkopf-Bohrers durchgeführt. Alternativ dazu können in geeigneter Weise angeordnete Löcher auch bereits ausgebildet werden, wenn die eigentlichen Teile gebildet werden, z. B. durch Formen. Typen von Gegenständen, die gemäss der vorliegenden Erfindung befestigt werden können, sind Teile von Düsentriebwerken wie die äusseren Spitzendeckbänder, Brennkammersegmente, Auskleidungen der Nachbrennkammern, Spritzleisten sowie Leitschaufeln, wobei diese Teile aus einem Glasmatrix-Verbundmaterial, einem anderen hochtemperaturfesten Verbundmaterial oder einem unverstärkten hochtemperatufesten Keramikmaterial hergestellt sein können.
Beispiel 1
Eine Platte mit den Abmessungen 7,6 cm x 7,6 cm x 0,345 cm (3 inch x 3inch x 0,136 inch) aus einem mit uni-direktional orientierten Siliciumcarbidfasern verstärkten Li-thium-aluminiumsilicat-Matrix-Verbundmaterial wurde wie in der US-PS 4 324 843 beschrieben, hergestellt. Diese Verbundmaterial-Platte wurde in Stäbe einer Breite von etwa 0,53 cm (0,210 inch) zerschnitten. Dabei wird eine Quer-schnittsfläche des Stabs erhalten, die etwa der eines runden Stabes mit einem Durchmesser von 0,48 cm (0,19 inch) entspricht. Diese rechteckigen Stäbe dienten als Vorformlinge oder Rohlinge. Eine Form für einen runden Stab wurde dadurch aufgebaut, dass man zwei Graphitplatten der Abmessungen 7,6 cm x 7,6 cm x 1,3 cm (3 inches x 3inches x 0,5 inch), die durch eine Papierlage einer Dicke von 0,015 cm (0,006 inch) voneinander getrennt waren, verklammerte, und unter Verwendung eines Bohrers mit einem Durchmesser von 0,49 cm (Bohrer Nr. 10, Durchmesser 0,1935 inch) symmetrisch entlang der Mittellinie der gebildeten Platte Löcher bohrte. Molybdänbleche einer Dicke von 0,0076 cm (0,003 inch) wurden so verformt, dass ihre Form der so erzeugten Graphitform entsprach. Die rechteckigen Stäbe wurden in geeigneter Weise zwischen die Molybden-Trennblätter eingelegt, und anschliessend wurde die ganze Gruppe in eine Warmpresse gegeben und in einer Stickstoffatmosphäre auf 1400 C erhitzt. Sobald diese Temperatur erreicht war, wurde ein Druck ausgeübt, um die rechteckigen Stäbe zu runden
Stäben zu verformen (nachzupressen). Die Vorformlinge sind in Fig. 1A gezeigt, die Formen in Fig. 1B und die umge-pressten Stäbe in Fig. IC. Zur Ausbildung der Köpfe auf den Nieten wurde eine zweite Nachpress-Operation durchgeführt. Die Form für diesen Schritt ist in Fig. 2 gezeigt und bestand aus einem Graphitblock 21 mit Löchern 22, die in diesen gebohrt worden waren, um die Nieten aufzunehmen, und die einen konisch abgeschrägten Abschnitt 23 zur Ausbildung des Kopfes aufwiesen. Ausserdem ist eine Pressplatte 24 zur Erzeugung der in Fig. 3 dargestellten fertigen Nieten gezeigt. Eine Mikrophotographie eines Axialschnitts durch das Verbundmaterial im Bereich des Kopfes einer der Nieten ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Nieten wurden einer Zugprüfung unterworfen. Die Köpfe wurden in eine Standard-82° Senkbuchse eingespannt, und der Schaft mit einer Weichmetallhülle wurde von einem Zweibacken-Spannfutter gefasst und mit einer Geschwindigkeit von 0,127 cm/min. (0,05 inch/min.) deformiert, bis es zum Bruch kam. Alle Brüche traten an der Basis des Kopfes (51) auf, wie aus Fig. 6 zu erkennen ist. Dabei traten die Schäden eher allmählich als plötzlich auf, und die Proben hielten selbst nach einer beginnenden Rissbildung noch hohe Belastungen aus, wie aus der Spannungs-Dehnungs-Kurve in Fig. 5 zu erkennen ist.
Beispiel 2
Es wurde festgestellt, dass die Stäbe aus dem Siliciumcar-bid-Glaskeramikmatrix-Verbundmaterial wie in Fig. 7 gezeigt, mit einem Gewinde versehen werden können, und zwar durch Schneiden mit einem Einzelgewindestahl in einer Drehbank. Die Erzeugung des Gewindes kann auch durch Nachpressen in der gleichen Weise wie die Erzeugung des ursprünglichen Schafts und gleichzeitig mit dessen Formung erfolgen. Obwohl kein Bruchversuch zur Bestimmung der gepressten Gewinde durchgeführt wurde, sind die Tragfähigkeitsdaten für mit Gewinde versehene Platten (National Fine Thread number 10-32) aus einem mit 0D/90° orientierten Fasern verstärkten Glasmatrix-Verbundmaterialien repräsentativ für die Belastung, die erforderlich ist, die Gewinde aus diesem Material abzuscheren. Diese Daten sind in Fig. 8 gezeigt. Es kann gezeigt werden, dass die Gewindebelastungen für ein Material geeignet sind, das eine Scherfestigkeit von etwa 44,7 MPa (6500 psi) aufweist.
Obwohl Mehrfach-Nachpresstechniken zur Herstellung der Befestigungsmaterialien verwendet wurden, ist es einem Fachmann klar, dass derartige Arbeitsgänge für die Massenproduktion automatisiert werden können, und dass für die meisten Anwendungszwecke ein einziger Nachpressvorgang ausreicht, um das Befestigungsmittel zu formen.
Obwohl die Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass zahlreiche Veränderungen und Weglassungen der Form und anderer Einzelheiten möglich sind, ohne dass der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
S
4 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung einer Niete oder Schraube aus einem Verbundmaterial aus einer faserverstärkten Glasmatrix oder Glaskeramikmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verbundmaterial in Blattform, wie es erhältlich ist aus einer Mischung einer Glasmatrix oder Glaskeramikmatrix, die 20 Vol.-% bis 60 Vol.-% hochtemperaturfe-ste Fasern enthält, durch Warmpressen derselben unter Bildung eines Blattes eines hochtemperaturfesten faserverstärkten Verbundmaterials in Stäbe von im wesentlichen quadratischem Querschnitt zerschneidet, die zugeschnittenen Stäbe in einer Form unter Bildung von Stäben mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt erhitzt, ein Ende der verformten Stäbe unter Bildung eines flachen Kopfabschnittes erhitzt und im Fall einer Schraube die Stäbe mit einem Gewinde versieht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man während oder nach der Erzeugung des im wesentlichen kreisförmigen Querschnitts Gewinde in die Stäbe einprägt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man in die Stäbe von kreisförmigem Querschnitt Gewinde schneidet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkenden Fasern Siliciumcarbid-, Graphitoder Aluminiumoxid-Fasern sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial Borsilicat-, Aluminiumsilicat- oder hoch-siliciumdioxidhaltiges Glas oder eine Lithiumalumi-niumsilicat-Glaskeramik ist.
6. Verwendung der nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 1 hergestellten Nieten oder Schrauben zur Befestigung eines faserverstärkten Glasmatrix-Verbundmaterials an einem Bauteil, dadurch gekennzeichnet, dass man in dem Verbundmaterial und dem Bauteil an der Verbindungsstelle im wesentlichen konzentrische Löcher erzeugt und das Verbundmaterial durch Einschieben der Niete oder der Schraube durch derartige Löcher und anschliessendes Schliessen des offenen Endes der Niete oder der Schraube durch Warmverformung bzw. eine Mutter an dem Bauteil befestigt, so dass eine Verbindung des Verbundmaterials mit dem Bauteil erzeugt wird, die auch bei extremen Temperaturschwankungen fest bleibt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem mit Siliciumcarbid-Fasern verstärkten Glasmatrix-Material besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus Metall besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus unverstärkter Keramik, Glas oder Glaskeramik besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturfesten Fasern, die Bestandteil der Nieten oder Schrauben sind, aus Siliciumcarbid, Graphit oder Aluminiumoxid bestehen.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/381,802 US4414011A (en) | 1982-05-25 | 1982-05-25 | Method of securing fiber reinforced glass matrix composite material to structural members |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CH654885A5 true CH654885A5 (de) | 1986-03-14 |
Family
ID=23506422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CH2816/83A CH654885A5 (de) | 1982-05-25 | 1983-05-24 | Verfahren zur herstellung einer niete oder schraube sowie deren verwendung zur befestigung eines faserverstaerkten glasmatrix-verbundmaterials an einem bauteil. |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4414011A (de) |
| JP (1) | JPS58214009A (de) |
| AT (1) | AT384466B (de) |
| CH (1) | CH654885A5 (de) |
| DE (1) | DE3318767A1 (de) |
| FR (1) | FR2530617B1 (de) |
| GB (1) | GB2121136B (de) |
| IT (1) | IT1166932B (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10301114A1 (de) * | 2003-01-14 | 2004-07-22 | Kerb-Konus-Vertriebs-Gmbh | Stanz-Prägeniet |
| DE102007023308A1 (de) * | 2007-05-16 | 2008-11-20 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Befestigungseinrichtung |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4613473A (en) * | 1984-04-20 | 1986-09-23 | United Technologies Corporation | Method for forming composite articles of complex shapes |
| JPS616401U (ja) * | 1984-06-18 | 1986-01-16 | ワシマイヤー株式会社 | 自動車用複合ホイ−ル |
| DE3606179A1 (de) * | 1986-02-26 | 1987-08-27 | Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh | Thermisch isolierter gaskanal |
| US4780432A (en) * | 1986-09-02 | 1988-10-25 | United Technologies Corporation | Controlled fiber distribution technique for glass matrix composites |
| US4761871A (en) * | 1986-11-21 | 1988-08-09 | Phillips Petroleum Company | Method of joining two thermoplastic articles |
| US5122226A (en) * | 1987-08-12 | 1992-06-16 | United Technologies Corporation | Method of making hybrid composite structures of fiber reinforced glass and resin matrices |
| US4902326A (en) * | 1988-11-02 | 1990-02-20 | United Technologies Corporation | Method for making fiber reinforced glass matrix composite article having selectively oriented fiber reinforcement |
| US5127783A (en) * | 1989-05-25 | 1992-07-07 | The B.F. Goodrich Company | Carbon/carbon composite fasteners |
| US5057257A (en) * | 1990-02-20 | 1991-10-15 | Quantum Composites, Inc. | Method of transfer molding fiber-reinforced resin bolt products |
| DE4337043C2 (de) * | 1993-10-29 | 1997-04-30 | Man Technologie Gmbh | Befestigungselement für Keramikbauteile |
| DE20203278U1 (de) * | 2002-02-28 | 2002-05-23 | Mage Ag, Courtaman | Befestigungselement |
| US7966711B2 (en) * | 2007-08-14 | 2011-06-28 | The Boeing Company | Method and apparatus for fastening components using a composite two-piece fastening system |
| US8465241B2 (en) * | 2007-10-31 | 2013-06-18 | The Boeing Company | Composite fasteners containing multiple reinforcing fiber types |
| US8393068B2 (en) * | 2007-11-06 | 2013-03-12 | The Boeing Company | Method and apparatus for assembling composite structures |
| US10603821B2 (en) | 2012-01-23 | 2020-03-31 | The Boeing Company | Narrow flake composite fiber material compression molding |
| US10538013B2 (en) | 2014-05-08 | 2020-01-21 | United Technologies Corporation | Integral ceramic matrix composite fastener with non-polymer rigidization |
| US9869337B2 (en) * | 2015-06-03 | 2018-01-16 | The Boeing Company | Ceramic fastener |
| US10053608B2 (en) | 2017-01-06 | 2018-08-21 | United Technologies Corporation | Method to fabricate high temperature composite |
| US11628632B2 (en) | 2019-03-25 | 2023-04-18 | The Boeing Company | Pre-consolidated charges of chopped fiber for composite part fabrication |
| US11351744B2 (en) | 2019-03-29 | 2022-06-07 | The Boeing Company | Molten extrusion loading for compression molds using chopped prepreg fiber |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES367287A1 (es) * | 1968-05-16 | 1971-06-16 | Atomic Energy Authority Uk | Procedimiento para producir un material compuesto. |
| CH558892A (de) * | 1973-11-16 | 1975-02-14 | Micafil Ag | Gewindestab mit einem schichtpressstoffkoerper. |
| US4047993A (en) * | 1975-11-13 | 1977-09-13 | Heinrich Bartelmuss | Method of making an abrasion-resistant plate |
| US4103063A (en) * | 1976-03-23 | 1978-07-25 | United Technologies Corporation | Ceramic-metallic eutectic structural material |
| US4263367A (en) * | 1979-11-07 | 1981-04-21 | United Technologies Corporation | Discontinuous graphite fiber reinforced glass composites |
| US4324843A (en) * | 1980-02-13 | 1982-04-13 | United Technologies Corporation | Continuous length silicon carbide fiber reinforced ceramic composites |
| US4314852A (en) * | 1980-05-07 | 1982-02-09 | United Technologies Corporation | Silicon carbide fiber reinforced glass composites |
| US4357286A (en) * | 1980-11-05 | 1982-11-02 | United Technologies Corporation | Method of making a graphite-glass composite laser mirror |
| US4370390A (en) * | 1981-06-15 | 1983-01-25 | Mcdonnell Douglas Corporation | 3-D Chopped-fiber composites |
-
1982
- 1982-05-25 US US06/381,802 patent/US4414011A/en not_active Expired - Fee Related
-
1983
- 1983-05-06 GB GB08312433A patent/GB2121136B/en not_active Expired
- 1983-05-20 IT IT21205/83A patent/IT1166932B/it active
- 1983-05-20 FR FR8308377A patent/FR2530617B1/fr not_active Expired
- 1983-05-24 DE DE19833318767 patent/DE3318767A1/de active Granted
- 1983-05-24 CH CH2816/83A patent/CH654885A5/de not_active IP Right Cessation
- 1983-05-25 AT AT0188983A patent/AT384466B/de not_active IP Right Cessation
- 1983-05-25 JP JP58093284A patent/JPS58214009A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10301114A1 (de) * | 2003-01-14 | 2004-07-22 | Kerb-Konus-Vertriebs-Gmbh | Stanz-Prägeniet |
| DE102007023308A1 (de) * | 2007-05-16 | 2008-11-20 | Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh | Befestigungseinrichtung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2530617B1 (fr) | 1986-12-19 |
| FR2530617A1 (fr) | 1984-01-27 |
| GB8312433D0 (en) | 1983-06-08 |
| ATA188983A (de) | 1987-04-15 |
| JPS58214009A (ja) | 1983-12-13 |
| DE3318767A1 (de) | 1983-12-15 |
| IT8321205A0 (it) | 1983-05-20 |
| GB2121136A (en) | 1983-12-14 |
| GB2121136B (en) | 1986-02-12 |
| IT1166932B (it) | 1987-05-06 |
| DE3318767C2 (de) | 1992-06-25 |
| AT384466B (de) | 1987-11-25 |
| US4414011A (en) | 1983-11-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CH654885A5 (de) | Verfahren zur herstellung einer niete oder schraube sowie deren verwendung zur befestigung eines faserverstaerkten glasmatrix-verbundmaterials an einem bauteil. | |
| DE3877743T2 (de) | Technik zum kontrollierten verteilen von fasern in einer glasmatrixzusammenschmelzung. | |
| DE3686239T2 (de) | Faserverstaerkter verbundwerkstoff mit metallmatrix. | |
| DE3318832A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines verbundgegenstands aus einer glasmatrix mit faserverstaerkung | |
| DE2549652C3 (de) | Keramikformkörper hoher Bruchzähigkeit | |
| DE3318813A1 (de) | Verfahren zur formung von faserverstaerkten glasmatrix-verbundgegenstaenden | |
| DE1925009C3 (de) | Faserverstärkter Verbundwerkstoff und seine Verwendung | |
| CH653953A5 (de) | Verfahren zur herstellung von geformten verbundgegenstaenden. | |
| DE3318831A1 (de) | Verfahren zur herstellung von komplex geformten verbundgegenstaenden aus einer faserverstaerkten glasmatrix | |
| EP0864548A2 (de) | Mit Graphikurzfasern verstärkter Siliciumcarbidkörper | |
| DE3303295C2 (de) | ||
| DE1918834A1 (de) | Isotropes Graphit grosser Dichte | |
| EP0827942A2 (de) | Verfahren zum dauerhaften Verbinden von wenigstens zwei Bauteilkomponenten zu einem Formkörper | |
| DE69221308T2 (de) | Faserversärkter Glasmatix-Verbundwerstoff mit einer secondären Matrixverstärkung | |
| DE3329250A1 (de) | Feuerfestes siliziumnitrid-verbundmaterial | |
| DE102006019457A1 (de) | Reibmaterial | |
| DE3611403C2 (de) | ||
| DE69425619T2 (de) | Asbestfreies Reibungsmaterial | |
| CH621857A5 (en) | Screw of a composite material containing carbon fibres | |
| EP0417826A1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines pressgegossenen faserverstärkten Bauteils | |
| DE3516920C2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Stangen oder Profilen aus anorganischen Gläsern oder aus Gläsern, die in eine Glaskeramik überführt werden können, deren Kernzone unidirektional mit kontinuierlichen Fasern verstärkt ist | |
| DE3427722C2 (de) | ||
| DE1471032C3 (de) | Mischung zur Herstellung eines feuerfesten Körpers, Mörtels u.dgl | |
| DE3008368C2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Glas-Keramikwärmeaustauscherkerns | |
| DE60010337T2 (de) | Mikrogranuläre Betonzusammensetzung auf BASIS VON Schlackenzement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PL | Patent ceased |