DE10161108A1

DE10161108A1 - Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils

Info

Publication number: DE10161108A1
Application number: DE10161108A
Authority: DE
Inventors: Stefan Siegel; Gottfried Boden; Uwe Petasch; Volker Thole; Roland Weis; Thorsten Scheibel; Martin Henrich; Marco Ebert; Martin Kuehn; Andreas Lauer; Gotthard Nauditt
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-06-26
Also published as: EP1453773A1; ATE393130T1; US20050151305A1; CN100341818C; DE50212166D1; EP1453773B1; AU2002358130A1; WO2003050058A1; US7682534B2; CN1617840A; ES2305331T3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils auf der Basis von Kohlenstoff unter Verwendung eines cellulosehaltigen Halbzeugformteils, das pyrolysiert wird. Um homogene, großflächige Keramikbauteile herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass als Halbzeugformteil ein faser-, span- und/oder strandhaltiges cellulosehaltiges Halbzeugformteil homogener Dichteverteilung und homogener Struktur verwendet und in nichtoxidierender Gasatmosphäre pyrolysiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils auf der Basis von Kohlenstoff unter Verwendung eines cellulosehaltigen Halbzeugformteils, das pyrolisiert wird.
Großflächige, insbesondere Wandstärken zwischen 0,2 und 20 mm aufweisende Keramikbauteile aus Kohlenstoff bzw. Siliciumcarbid werden z. B. als Brenn- oder Sinterunterlagen, als Trag- und Chargiersysteme oder als Leichtbaukomponenten in Öfen und Wärmetauschern eingesetzt. Insbesondere aufgrund ihrer niedrigen Dichte, ihrer ausreichenden Festigkeit und ihrer guten Hochtemperaturstabilität bei mehr als 2000°C in nichtoxidierender Atmosphäre hat sich der Einsatz von Kohlenstoffwerkstoffen insbesondere im Ofenbau bewährt. Sollen noch höhere Festigkeits- und Steifigkeitsforderungen erfüllt werden, gelangen Siliciumcarbidwerkstoffe zum Einsatz.
Um großflächige Kohlenstoffteile und Erzeugnisse herzustellen, können verschiedene Verfahren der Pulvertechnologie zur Anwendung gelangen. Dabei wird Kohlenstoff und/oder Graphitpulver mit einem hochkohlenstoffhaltigen Binder wie Pech, Harz oder zellulosehaltigen Lösungen vermischt, in Formen verpresst und durch eine Wärmebehandlung ausgehärtet. Gegebenenfalls kann eine weitere mechanische und chemische Endbehandlung zur Oberflächenvergütung erfolgen. Nachteil dieser vorzugsweise für eine Serienfertigung von großflächigen dünnwandigen Kohlenstofferzeugnissen angewandten Technologie ist vor allem der hohe apparative Aufwand, der zur Herstellung guter und reproduzierbarer Pulver- und Binderqualitäten erforderlich ist. Außerdem liegen die Ausschussraten relativ hoch, wodurch die teilweise hohen Herstellungskosten verursacht werden.
Zur Herstellung großflächiger Kohlenstofferzeugnisse gelangen auch CFC (kohlenstofffaserverstärkte Kohlenstoff)-Werkstoffe zum Einsatz. Zur Herstellung dieser werden Kohlenstofffasern in Form von Vliesen, Matten oder Gelegen mit Harzen wie Phenolharzen zum Teil mehrfach getränkt und anschließend pyrolysiert. Diese Werkstoffe verbinden die Eigenschaften von polykristallinem Kohlenstoff mit den Vorteilen hochfester Kohlenstofffasern und stellen Verbundwerkstoffe dar, die eine hohe Festigkeit, einen hohen Risswiderstand, eine hohe Thermoschockbeständigkeit, eine geringe Dichte und eine gute mechanische Bearbeitbarkeit aufweisen (M. Leuchs, J. Spörer: "Langfaserverstärkte Keramik - eine neue Werkstoffklasse", Keram. Zeitschrift 49, 18-22 (1997)). Aufgrund der hohen Herstellungskosten ist jedoch ein umfassender Einsatz nicht gegeben.
Die DE 198 23 507 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Kohlenstoff, Carbiden und/oder Carbonitriden. Dabei werden biogene Stoffe verwendet, die durch Carbonisieren in ein hauptsächlich kohlenstoffhaltiges Produkt konvertiert werden, um anschließend zu hochkohlenstoffhaltigen Formkörpern verarbeitet zu werden. Als biogene Ausgangsmaterialien werden Faserverbunde in Form von Vliesen, Matten oder Geweben, also Langfaserverbunde sowie großflächige dünnwandige Flächengebilde vorgeschlagen. Entsprechende technische Flächengebilde unterliegen in ihrer Nutzung als Kohlenstoffwerkstoffe mit mechanischer Funktion einer entscheidenden Einschränkung, da die erreichbaren Kohlenstoffdichten für die meisten Anwendungen zu gering sind, so dass die Festigkeiten nicht die Anforderungen an mechanisch hochbeanspruchbare Bauteile erfüllen. Auch als Kohlenstoff-Vorlage für eine Reaktionssilicierung ist ein solches Produkt nur bedingt verwendbar, da ein hoher Anteil freien Siliciums im Endprodukt entscheidende Einschränkungen im Korrosions- und Hochtemperaturverhalten bewirkt.
Die Verwendung holzartiger Produkte als Ausgangsmaterialien für kostengünstige SiC- Keramiken, die über einen sogenannten "Biocarbon-Vorkörper" durch Flüssigphasensilicierung gebildet werden, ist aus "Krenkel: Biomorphe SiC-Keramiken aus technischen Hölzern", Symposium "Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde", Herausg. K. Schulte, K. Kainer, Wiley-Verlag Chemie Weinheim 1999 sowie "Low cost ceramics from wooden products", Materials Week, München 23-28.9.2000" bekannt. Experimentell wurden dabei vor allem Kohlenstoffkörper aus pyrolysierten Furniersperrhölzern siliciert und in einen C/SiC/Si- Werkstoff überführt.
Aus der DE 199 47 731 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus SiC-Keramik bekannt. Dabei wird aus einem zellulosehaltigen Ausgangskörper durch Pyrolyse und nachfolgende Infiltration mit Silicium ein keramisches Bauteil hergestellt. Der Ausgangskörper besteht aus einem technischen Halbzeug, das aus zellulosehaltigem Material in Form von Spänen und/oder aus einzelnen Lagen flächiger Holzteile gebildet wird. Dabei wird das Gefüge des Halbzeuges durch verschiedene Verhältnisse von zellulosehaltigem Material und Bindemittel eingestellt, wobei der Bindemittelgehalt mehr als 5% beträgt. Durch die Lagenbildung und Wahl des zellulosehaltigen Materials entsteht ein Halbzeug mit einem hohen Anteil an translaminaren Porenkanälen, die eine Infiltration mit flüssigem Silicium erleichtern. Dieser Vorgang wird bei einem schichtweise aufgebauten Halbzeug noch durch Rissbildung bei der Pyrolyse unterstützt. Durch dieses inhomogene, stark poröse Gefüge entsteht aber eine nur für sehr eingeschränkte SiSiC-Sonderanwendungen nutzbare Kohlenstoff- Vorlage. Der resultierende hohe Anteil an freiem Si im Endprodukt schränkt sowohl die mechansichen Eigenschaften als auch das Korrosions- und Hochtemperaturverhalten entscheidend ein.
Wesentlicher Nachteil der dem Stand der Technik zu entnehmenden Verfahren ist es, dass die pulvertechnologisch bzw. über einen Faserwickelprozess hergestellten großflächigen Erzeugnisse aufwendig und teuer sind, da spezielle Presswerkzeuge bzw. Faserwickelaggregate benötigt werden. Nachteilig ist des Weiteren, dass für spezielle Anwendungszwecke benötigte Strukturierungen wie Bohrungen, Aussparungen oder ähnliches entweder mit extrem hohen Mehrkosten in das Presswerkzeug integriert oder nachträglich in das starre sowie teilweise brüchige Faserverbund-Kohlenstofferzeugnis eingebracht werden müssen.
Aus Spänen oder Furniersperrhölzern hergestellte Kohlenstoff bzw. SiC-Werkstoffe sind inhomogen. Holz ist durch eine ausgeprägte Anisotropie gekennzeichnet, die auch bei makroskopischen Holzteilen wie Spänen oder Furnieren erhalten bleibt. Selbst bei einer entsprechend angepassten Werkstoffbildung wird die rohstoffbedingte Anisotropie auf den Verbundwerkstoff übertragen. Somit sind mechanische und thermische Eigenschaften des Werkstoffes stark richtungsabhängig.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten bzw. weiterzubilden, dass homogene großflächige Keramikbauteile herstellbar sind, die weitgehend richtungsunabhängige mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen. Auch sollen verfahrensmäßige Vereinfachungen gegeben sein. Schließlich sollen problemlos geometrische Strukturen in den Bauteilen ausgebildet werden können.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass als Halbzeugformteil ein cellulosehaltiges Formteil homogener Dichteverteilung verwendet und in nichtoxidierender Gasatmosphäre pyrolysiert wird. Insbesondere werden lignocellulosehaltige Halbzeugformteile benutzt, die unter Verwendung von Fasern, Spänen, Strands oder dergleichen hergestellt werden.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass als Halbzeugformteile Faserplatten einer Dichte u. a. mit 650 ≤ ρ_a ≤ 1100 kg/m³ und homogener Verteilung der Dichte entlang Plattendiagonale mit Δρ_a ≤ 20 kg/m³, insbesondere Δρ_a ≤ 10 kg/m³ verwendet, die einer Wärmebehandlung unter Luftausschluss bei einer Temperatur T mit 400°C ≤ T ≤ 2300°C unterzogen werden, wobei insbesondere die Aufheizgeschwindigkeit im Temperaturbereich zwischen 250°C und 550°C zwischen 0,3 K/min und 0,5 K/min beträgt. Im Reaktionsraum entstehende gasförmige und flüchtige Verbindungen sollten des Weiteren mit einem Strom eines nichtoxidierenden Gases bzw. Inertgases wie Stickstoff oder Argon entfernt werden.
Zur Herstellung großflächiger Keramikbauteile aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid sollten insbesondere faser-, span- und/oder strandhaltige lignocellulosehaltige Halbzeugformteile einer Dicke D mit 1 mm ≤ D ≤ 50 mm und/oder eine Dichte ρ mit ρ 500 kg/m³ verwendet werden. Bevorzugterweise sollte die Dicke D betragen 2 mm ≤ D ≤ 20 mm und/oder die Dichte ρ ≥ 650 kg/m³.
Dabei liegt der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen faserhaltigen lignocellulosehaltigen Werkstoffe in der hohen Isotropie. Als Halbzeugformteile können Faserplatten in Form von LDF (niedrigdichte), MDF (mitteldichte) und HDF (hochdichte) verwendet werden. Zur Herstellung formstabiler selbsttragender Kohlenstoffkeramikbauteile weisen die MDF-Platten eine Dichte ρ mit ρ ≥ 650 kg/m³ und hochdichte Faserplatten eine Dichte ρ mit ρ ≥ 1800 kg/m³ auf. Die erfindungsgemäße Lehre ist jedoch auch unter Zugrundelegung von Hartfaserplatten und Extrahartfaserplatten realisierbar.
Insbesondere wird zur Herstellung einer Faserplatte als das Halbzeugformteil ein Gemisch aus Bindemittel und Fasern in einem Heißpressvorgang geformt. Durch die Verwendung einer Heißpresse kann eine erheblich kürzerer Presszyklus gewählt werden als in einem Kaltpressverfahren, so dass sich wirtschaftliche Vorteile ergeben. Die gewünschte Struktur und das gewünschte Gefüge wird dabei gezielt durch den Verdichtungsgrad und durch die Wahl verschiedener Pressphasen eingestellt. Die Verdichtung kann aus mehreren Öffnungs- und Schließvorgängen mit nachfolgender Haltephase bestehen, wobei zumindest ein in erster Verdichtungsphase aufzubringender spezifischer Pressdruck P₁ betragen sollte: P₁ ≥ 5 N/mm². Genutzt wird hierbei die Eigenschaft von Holz, das unter Wärme- und Dampfeinwirkung plastifiziert. In der Haltephase sollte der Pressvorgang bis zur Erhärtung des Bindemittels aufrechterhalten bleiben. Allerdings kann der Pressdruck entsprechend des erreichten Plastifizierungsgrades durch Regelsysteme abgesenkt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass zwischen den Fasern gebildete Verbindungen nicht zerstört werden. Somit werden Risse im Halbzeugformteil vermieden und schädliche Störungen im Werkstoffkontinuum ausgeschlossen.
Entsprechend hergestellte Halbzeugformteile sind selbst bei Dichten von weniger als 700 kg/m³ formstabil und selbsttragend. Entsprechende Ergebnisse erzielt man nicht nur mit Fasern, sondern auch mit Spänen oder Strands. Werden anstelle von Fasern Strands mit Schlankheitsgraden von mehr als 80 eingesetzt und bei der Vliesbildung auf eine Richtungsorientierung verzichtet, so entstehen Halbzeugformteile mit einer ausgesprochenen Isotropie.
Für bestimmte Einsatzbereiche kann die bei OSB (Oriented Strand Board), PSL (Parallel Strand Lumber), LSL (Laminated Strand Lumber), VSL (Veneered Strand Lumber) oder Uniformspanplatte vorhandene gewisse Anisotropie von Vorteil sein. Unabhängig hiervon sollte jedoch das Pressverfahren entsprechend dem zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbzeugformteile aus Fasern durchgeführt worden.
Losgelöst davon, ob die Halbzeugformteile insbesondere in Form von Faserplatten eine flächige Erstreckung im Bereich vorzugsweise zwischen 0,1 m² bis 3 m² aufweisen, die den meisten Anwendungsfällen genügt, ist in besonders hervorzuhebender Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Bearbeitung des Halbzeugformteils vor dessen Pyrolyse erfolgt, um eine gewünschte Struktur im fertigen Bauteil zu erzielen. Die Bearbeitung kann dabei spanend und nichtspanend erfolgen. Auch können insbesondere während des Pressens gewünschte Formgebungen erfolgen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass die Bearbeitung bzw. Formgebung gleichzeitig für mehrere übereinander liegende Platten erfolgt.
Die bearbeiteten - gegebenenfalls auch unbearbeiteten - Platten als die Halbzeugformteile werden sodann dem Pyrolyseprozess unterzogen, wobei bevorzugterweise Temperaturen zwischen 400 und 2300°C, insbesondere Temperaturen zwischen 800 und 1600°C unter Ausschluss von Luft zur Anwendung gelangen, um die Halbzeugformteile in die Kohlenstoffkeramik umzuwandeln.
Die mit dem Pyrolyseprozess verbundene Materialschrumpfung kann dabei für die Gestaltung der Endmaße bereits bei dem Ausgangsformhalbzeug berücksichtigt werden. Dabei ist in Betracht zu ziehen, dass die Schrumpfung in Länge und Breite etwa 20 bis 25% und in Höhe etwa 30 bis 40% beträgt. Auch die Dichte des Halbzeugformteils verringert sich infolge des Pyrolyseprozesses auf etwa 70 bis 80% der Ausgangsplattendichte.
Schrumpfungsraten und Dichteänderungen sind insgesamt abhängig von der Art des Halbzeuges, Werkstofftyps, Holzart, Bindemittelart, Bindemittelgehalts, den Pyrolysebedingungen und den geometrischen Abmessungen.
Des Weiteren sieht die erfindungsgemäße Lehre vor, dass die Pyrolyse des Halbzeugformteils derart erfolgt, dass entstehende flüchtige Pyrolyseprodukte wie Wasser, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Naphtalin bzw. Alkohole, Ketone, Aldehyde ungehindert in das Abgas gelangen können. Hierbei sind entsprechend lange Pyrolysezeiten, die sich im Temperaturbereich zwischen 250°C und 550°C ohne Weiteres auf mehrere Tage erstrecken können, sowie Freiräume zwischen den Platten erforderlich, sofern mehrere Platten gleichzeitig pyrolysiert werden. Zur Vereinfachung der Entgasung sieht ein weiterer Vorschlag der Erfindung vor, dass in das Halbzeugformteil ein Zusatzmittel eingebracht wird, das unter Wärmeeinwirkung als Porenbildner wirkt.
Nach erfolgter Pyrolyse erfolgt eine Abkühlung der nunmehr weitgehend aus Kohlenstoff bestehenden Halbzeugformteile unter Inertgasatmosphäre bis auf Raumtemperatur, wodurch eine Selbstentzündung der Kohlenstoffteile vermieden wird. So hergestellte Erzeugnisse bedürfen im allgemeinen einer weiteren Bearbeitung nicht, so dass diese die gewünschten Bauteile bilden. Für bestimmte filigrane Bauteile können jedoch auch noch mechanische Nachbearbeitungen vorgenommen werden.
Ohne die Erfindung zu verlassen, besteht auch die Möglichkeit, entsprechende keramische Bauteile chemisch nachzubehandeln. So können oxidationshemmende Schichten wie Siliciumdioxid, Siliciumcarbid oder Silikate aufgebracht werden. Auch eine Infiltration mit flüssigem oder gasförmigem Silicium ist möglich, wodurch SiC oder Si/SiC/C-Verbundwerkstoffe entstehen.
Bevorzugterweise werden mitteldichte Faserplatten einer Dichte ρ mit 600 kg/m³ < ρ < 800 kg/m³ und hochdichte Faserplatten (HDF) einer Dichte ρ mit ρ ≥ 800 kg/m³ für die Bildung von homogenen Kohlenstoffplatten durch Pyrolyse in Inertgasstrom verwendet. Diese Faserplatten können sowohl Holzfasern als auch Pflanzenfasern als Fasermaterial aufweisen. Als Pflanzenfasern kommen insbesondere Flachs, Hanf, Sisal, Miscanthus oder Nessel in Frage. Nach der Pyrolyse werden Dichten zwischen 600 und 800 kg/m³ bei MDF-Ausgangsplatten und 700 bis 900 kg/m³ bei HDF-Platten erreicht.
Die entsprechenden durch Pyrolyse hergestellten Keramikbauteile sind formstabil, selbsttragend und gut handhabbar. Ein Stapeln kann ohne Probleme erfolgen. Auch ist ein mechanisches Nachbearbeiten und ein Einbauen in Anlagen möglich. Die Biegebruchfestigkeit entsprechender Keramikbauteile beläuft sich zwischen 20 bis 50 Mpa und die von Siliciumbauteilen bis zu 300 MPa. Die hergestellten Platten weisen eine gute Homogenität in den mechanischen Eigenschaften wie Dichte und Festigkeit auf, eine Vorraussetzung für eine selbsttragende Eigenschaft.
Mit der erfindungsgemäßen Lehre hergestellte Platten können gewünschte flächenmäßige Abmessungen aufweisen. Bevorzugterweise sind Flächen von bis zu 3 m² zu nennen, wobei auch größere Flächen erzielt werden können.
Erfindungsgemäß hergestellte Kohlenstofferzeugnisse können als Auskleidung für Öfen, in Wärmetauschern, als Brenn- und Sinterunterlagen oder als Trage- und Chargiersysteme eingesetzt werden. Andere Verwendungsmöglichkeiten sind Reibelemente und -systeme, Dichtungen und Leichtbausysteme.
Des Weiteren besteht erwähntermaßen auch die Möglichkeit, die Kohlenstoffbauteile mit Silicium mittels Flüssigphasen- bzw. Gasphasensilicierung zu SiC-haltigen Verbunden umzusetzen, um dann so gebildete SiC/C/Si-Produkte gleichfalls als Trage- und Chargiersysteme, Brenn- und Sinterunterlagen zu verwenden. Ein Einsatz für Bremsen, Kupplungen, Reibelemente, Filterelemente, Heizelemente, Schutzpanzerungen o. ä. ist gleichfalls möglich.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus den nachfolgenden näher erläuterten Beispielen.

Beispiel 1

Eine Mitteldichte Faserplatte (MDF) wurde hergestellt, indem in einer Versuchsanlage, bestehend aus Kocher, Blowline-Beleimung und Rohrtrockner, Holzfasern einer Länge von 2 mm und einer Restfeuchte von 4% mit einem Harnstoff-Formaldehyd-Harz beleimt, getrocknet, anschließend auf eine Dichte von 150 kg/m³ kalt vorverdichtet und danach bei einer Temperatur von 200°C zur Erhöhung der Dichte und zur Aushärtung des Bindemittels nach einem speziellen Pressregime heißgepresst wurde. Die MDF-Platte wies eine Dichte von 800 kg/m³ und eine Dicke von 8 mm auf. Aus dieser MDF-Platte wurde ein Plattenabschnitt von 300 × 300 mm² abgetrennt und dieser einem Pyrolyseprozess bis 1700°C ausgesetzt. Die Pyrolyse erfolgte in einem Kammerofen unter trockenem Stickstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 l/min, wobei die flüchtigen Pyrolyseprodukte wie Methan, Wasserstoff, niedere Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in einer Nachverbrennungseinrichtung verbrannt wurden. Die schwerer flüchtigen Pyrolyseprodukte wie höhere aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe wurden in einem mit Öl gefüllten Separator abgetrennt. Die Pyrolysezeit betrug insgesamt 38 Stunden, wobei die Aufheizgeschwindigkeit im Bereich des maximalen Masseverlustes 30 Kh^-1 betrug.
Die pyrolysierte Faserplatte bestand aus 98,8% Kohlenstoff und wies eine Dichte von 630 kg/m³ und eine offene Porosität von 57% auf. Die Schwindung der Platte betrug in Länge und Breite 23,2% und in der Höhe 36,5%. Die Massenabnahme gegenüber der Ausgangs- Faserplatte betrug 73,5%. Die auf diese Weise erhaltene Kohlenstoffplatte einer Abmessung von 230 × 230 × 5,1 mm³ wies keine Verzugserscheinungen auf, war vollständig eben sowie selbsttragend. Sie ließ sich mechanisch gut bearbeiten (Bohren, Schneiden, Fräsen), ohne dass Ausbrüche und Abplatzungen entstanden. Die Festigkeit von aus der Kohlenstoffplatte herausgetrennten Proben der Abmessung 10 × 4,5 × 64 mm³ betrug 21 ± 3 MPa, gemessen nach der 3-Punkt-Biegemethode (Auflage 50 mm).

Beispiel 2

Eine Hochdichte Faserplatte (HDF) wurde analog dem Beispiel 1 hergestellt, wobei die Temperatur bei der Heißverpressung 210°C betrug. Die HDF-Platte wies eine Dichte von 1000 kg/m³ und eine Dicke von 8 mm auf. Aus dieser HDF-Platte wurde eine Platte von 300 × 300 mm² abgetrennt und einem Pyrolyseprozess bis 1700°C gemäß Beispiel 1 unterzogen. Die pyrolysierte Holzfaserplatte bestand aus 99,1% Kohlenstoff wies eine Dichte von 810 kg/m³ und eine offene Porosität von 43% auf. Die Schwindung der Platte betrug in Länge und Breite 23,4% und in der Höhe 35,8%. Die Massenabnahme gegenüber der Ausgangsplatte betrug 70%.
Die erhaltenen Kohlenstoffplatte zeigte keine Verzugserscheinungen, war eben und selbsttragend und ließ sich mechanisch gut und ohne Ausbrüche bearbeiten. Die Festigkeit aus der Kohlenstoffplatte herausgearbeiteter Proben der Abmessung 10 × 4,5 × 64 mm³ betrug 33 ± 3 MPa gemessen nach der 3-Punkt-Biegemethode (Auflage 50 mm).
Aus einer parallel gefertigten Kohlenstoffprobe derselben Platte wurde eine Siliciumcarbidprobe hergestellt, indem nach dem Dochtverfahren eine Flüssigsilicierung bei einer Temperatur von 1600°C durchgeführt wurde. Diese SiC-Probe wies die gleichen äußeren Abmessungen wie die Kohlenstoffprobe auf, zeigte eine Dichte von 2,84 g/cm³ und keine offene Porosität. Die Biegebruchfestigkeit betrug 268 ± 40 MPa, gemessen nach der 4-Punkt-Biegemethode. Der E-Modul betrug 270 ± 10 GPa.

Beispiel 3

Eine OSB (Oriented Strand Board)-Platte wurde hergestellt, indem Kiefernholz mittels eines Scheibenzerspaners in übliche OSB-Strands einer Abmessung von 60 bis 150 mm in der Länge, 15 bis 30 mm in der Breite und 0,4 bis 1 mm in der Dicke verarbeitet und die Strands mit einem Polyphenylmethandiisocyanat-Harz beleimt, danach kalt vorverdichtet und anschließend bei 200°C verdichtet wurden. Die Dichte des OSB-Platte betrug 650 kg/m³. Die Dicke der Platte betrug 18 mm. Aus der OSB-Platte wurde ein Abschnitt von 300 × 300 mm²abgetrennt und dieser einem Pyrolyseprozess bis 1700°C gemäß Beispiel 1 ausgesetzt: Die pyrolysierte OSB-Platte bestand zu 99,4% aus Kohlenstoff und wies eine Dichte von 480 kg/m³ auf. Der Plattenabschnitt wies nach der Pyrolyse die Abmessungen 230 × 230 × 11,7 mm³ auf, zeigte keine Verzugserscheinungen oder Aufplatzungen und war selbsttragend. Er ließ sich ohne Ausbrüche mechansich bearbeiten. Der Masseverlust der erhaltenen Kohlenstoffplatte betrug gegenüber dem Plattenteil vor der Pyrolyse 72%.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils auf der Basis von Kohlenstoff unter Verwendung eines cellulosehaltigen Halbzeugformteils, das pyrolisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeugformteil ein faser-, span- und/oder strandhaltiges cellulosehaltiges Halbzeugformteil homogener Dichteverteilung und homogener Struktur verwendet und in nichtoxidierender Gasatmosphäre pyrolysiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein faser-, span- und/oder strandhaltiges lignocellulosehaltiges Halbzeugformteil verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeugformteil eine Faserplatte einer Dichte ρ mit ρ ≥ 500 kg/m³, insbesondere 650 kg/m³ ≤ ρ ≤ 1100 kg/m³ und homogener Verteilung der Dichte über Faserplattendiagonale mit einer Dichteabweichung Δρ mit vorzugsweise Δρ ≤ 20 kg/m³, vorzugsweise Δρ ≤ 10 kg/m³ verwendet wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil unter Luftausschluss bei einer Temperatur T mit 400°C ≤ T ≤ 2300°C, insbesondere 800°C ≤ T ≤ 1600°C pyrolysiert wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturbereich von in etwa 250°C bis in etwa 550°C mit einer Geschwindigkeit von in etwa 0,2 K/min bis 0,5 K/min aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsraum beim Pyrolysieren freigesetzte gasförmige flüchtige Verbindungen mit einem Inertgasstrom wie Stickstoff- oder Argonstrom aus dem Reaktionsraum entfernt werden.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faserplatte einer Dicke D als Halbzeugformteil mit 1 mm ≤ D ≤ 50 mm, insbesondere 2 mm ≤ D ≤ 20 mm verwendet wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangsmischung für das Halbzeug porenbildende Zusatzstoffe beigegeben werden.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil durch Heißpressen eines Gemisches aus mit Bindemittel vermischten lignocellulosehaltigen Fasern hergestellt wird.

10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil durch aufeinanderfolgende Pressphasen hergestellt wird.

11. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil nach der Pyrolyse bzw. so hergestelltes Bauteil chemisch nachbehandelt wird.

12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrolysierte Halbzeugformteil mit einer oxidationshemmenden Schicht wie Siliciumdioxid, Siliciumcarbid oder Silikat versehen wird.

13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrolysierte Halbzeugformteil einer Silicierung wie einer Flüssigphasen- oder Gasphasensilicierung unterzogen wird.

14. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silicieren bei einer Temperatur T₂ mit T₂ ≥ 1420°C durchgeführt wird.

15. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil aus Holzfasern und/oder Pflanzenfasern wie Flachs, Hanf, Sisal, Miscanthus oder Nessel hergestellt wird.

16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeugformteil eine im gewünschten Umfang bearbeitete bzw. umgeformte Faserplatte, insbesondere mitteldichte (MDF) oder hochdichte (HDF) Faserplatte verwendet wird.

17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil spanend oder nichtspanend bearbeitet wird.

18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mitteldichte (MDF) Faserplatte mit einer Dichte derart verwendet wird, dass sich die Dichte des pyrolysierten Halbzeugformteils auf zwischen 600 kg/m³ und 800 kg/m³ beläuft.

19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochdichte (HDF)-Faserplatte als Halbzeugformteil mit einer Dichte verwendet wird, die nach dem Pyrolysieren eine Dichte von in etwa 700 kg/m³ und 900 kg/m³ aufweist.

20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeugformteil ein bindemittelfreies oder weitgehend bindemittelfreies Halbzeugformteil verwendet wird.

21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil aus OSB (Oriented Strand Board), PSL (Parallel Strand Lumber), LSL (Laminated Strand Lumber), VSL (Veneered Strand Lumber) oder aus einer Uniformspanplatte besteht.

22. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil aus Strands mit Schlankheitsgraden > 80 besteht.

23. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil vor dem Pyrolysieren dreidimensional geformt wird.

24. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Halbzeugformteil vor dem Pyrolysieren Bohrungen, Aussparungen oder Ausfräsungen unter Berücksichtigung des Schwundverhaltens des Halbzeugsformteils während des Pyrolysierens eingebracht werden.

25. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Halbzeugformteils faserförmige Partikel durch einen Druckaufschluss, durch einen mechanischen Aufschluss, durch einen thermomechanischen Aufschluss oder durch einen chemothermomechanischen Aufschluss gewonnen werden.

26. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Halbzeugformteils verwendetem Gemisch isozyanathaltige Klebstoffe beigegeben werden.

27. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeugformteil durch Suspendieren von Fasern in Wasser und sodann durch Sedimentation und nachfolgendes Pressen hergestellt wird.

28. Verfahren zur Herstellung eines Keramikbauteils auf der Basis von Kohlenstoff unter Verwendung eines aus Holz oder Pflanzenfasern hergestellten Halbzeugformteiles, das pyrolysiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein faser-, span- oder strandhaltiges Halbzeugformteil homogener Struktur und homogener Dichteverteilung erzeugt wird und die Pyrolyse unter nichtoxidierender Gasatmosphäre erfolgt.