DE102006007192A1

DE102006007192A1 - Verfahren zur Herstellung von SiC-Keramik aus biogenen Vorkörpern aus naturgewachsenem Holz

Info

Publication number: DE102006007192A1
Application number: DE200610007192
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Lehmann; Otto Prof. Dr. Wienhaus; Stefan Dr. Siegel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2007-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von SiC-Keramik aus biogenen Vorkörpern aus naturgewachsenem Holz, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Vorkörper aus einer zerstreutporigen Holzart mit natürlich gewachsener Porosität des Holzes gebildet wird, - der Vorkörper unter schonenden Aufheizbedingungen pyrolysiert wird, - der pyrolysierte Vorkörper zum Erreichen der Abmessungen des fertigen Bauteils bearbeitet wird - und bis zum Erreichen der Infiltrationstemperatur erwärmt wird und - das fertig bearbeitete Bauteil mit flüssigem Silicium infiltriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von SiC-Keramik aus naturgewachsenem Holz nach den Merkmalen des Anspruchs 1.
Mit der Erfindung lassen sich Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen bei hoher Verschleißfestigkeit, enormer Härte und mit beliebiger Geometrie zur Verfügung stellen. Die Werkstoffe weisen gleichzeitig höchste chemische Beständigkeit gegenüber Säuren auf.
Zur Herstellung von SiC-Keramik ist neben der konventionellen pulvertechnologischen Route über SIC-Pulver des Achesonverfahrens, die Verwendung von biogenen Naturfaser-Rohstoffen bekannt. Die Herstellung von SiC-Erzeugnissen erfolgt in mehreren technologischen Schritten. Nachteilig ist bei der Naturfaser-Aufbereitung, dass das faserförmige Vorprodukt nach dem Pyrolysieren aufgemahlen, mit einem kohlenstoffhaltigen Kleber vermischt und anschließend in die Endform gepresst wird. Der geformte Pressling wird bei hohen Temperaturen carbonisiert und anschließend mit flüssigem Silicium infiltriert. Dabei sind einige Formgebunden stark eingeschränkt. Hinterschneidungen und die Herstellung von Gewinden bereiten erhebliche Probleme oder entfallen ganz.

Aus der DE 198 23 507 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern auf der Basis von Kohlenstoff, Carbiden und/oder Carbonitriden ebenfalls unter Verwendung von biogenen Rohstoffen bekannt. Bei dem Verfahren werden Rohstoffe ganz oder teilweise aus biogenen Stoffen verwendet, die biogenen Stoffe durch Carbonisieren in ein hauptsächlich kohlenstoffhaltiges Produkt konvertiert, anschließend zu hochkohlenstoffhaltigen Formkörpern verarbeitet und danach zu porösen oder dichten Formkörpern auf der Basis von Kohlenstoff, Carbiden und/oder Carbonitriden weiterverarbeitet. Hierbei werden vor allem fasrige Pflanzenteile zu einem Körper verpresst, so dass die Faserstruktur der Ausgangsmaterialien erhalten bleibt. Die Formgebung erfolgt während der Verpressung der fasrigen Pflanzenteile, womit der Formling der Pressform angepasst wird.

Bereits in früheren Arbeiten (Byrne, C.E. and Nagel, D.E.: Pat. US 605 1096 (1996); Pat. US 612 4028 (1998)) wurde gefunden, dass sich Holz pyrolysiert und mit flüssigem Silicium infiltriert, unter Ausnutzung der natürlichen Porosität zur Herstellung von Bauteilen eignet. Grundsätzlicher Nachteil ist dabei die natürliche strukturelle Inhomogenität der Hölzer und die zu Bauteilrissen führenden Schrumpfungsanisotropien.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens, mit dem sich Bauteile aus SiC-Keramik herstellen lassen, die eine komplexe Geometrie aufweisen und mit einfachen Oberflächenbearbeitungsverfahren erzeugbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Überraschend wurde gefunden, dass sich zur Herstellung von hochbelastbaren Bauteilen Holzarten mit gleichmäßiger Porosität über die gesamte Jahrringbreite sehr gut eignen. Insbesondere sind zerstreutporige Laubhölzer wie Birke, Weide, Erle, also Pionierbaumarten ohne hohe forstliche Qualität und Aufwand, für solche Anwendungen prädestiniert.

Für die Herstellung von Bauteilen, die zum Einsatz als Mikrofilter geeignet sind, werden ringporige Laubholzarten ausgewählt, wobei mittels der durchgehenden großen, nicht infiltrierten Poren die Filterwirkung erreicht wird.

Für die Herstellung von Teilen, die zur Verwendung als Schmucksteine geeignet sind, werden Holzarten oder -teile mit besonders interessanter, auffälliger Maserung ausgewählt.

Der Vorkörper wird bei schonenden Aufheizbedingungen mit einer Aufheizgeschwindigkeit bis 1 K/min bei 1600°C bis 1800°C pyrolysiert. Der Vorkörper wird der Bearbeitung unterzogen, so dass die Abmessungen des Vorkörpers dem fertigen Bauteil entspricht. Zur Verhinderung mechanischer Spannungen und unkontrollierter Schrumpfung im Vorkörper wird dieser bis zum Erreichen der Infiltrationstemperatur in einem Bereich zwischen 1200 und 2200°C erwärmt.

Vorteilhaft wird der pyrolysierte Vorkörper durch ein spanabhebendes Verfahren bearbeitet. Der Vorkörper lässt sich in diesem Zustand besonders leicht mit einem Gewinde versehen, Bohren, Fräsen oder mit ähnlichen Verfahren bearbeiten. Die Stabilität des Vorkörpers ist ausreichend hoch, um die Formgebungsarbeiten durchführen zu können.

Vorteilhafte Werkstoffvarianten werden in den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich unter Verwendung einer ausreichend verfügbaren Holzart SiC-Keramik-Bauteile herstellen lassen, die bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen sehr variabel sind und die sich durch ein einfaches mechanisches Bearbeitungsverfahren herstellen lassen. Insbesondere lassen sich Hinterschneidungen, Gewinde oder Filterstrukturen erzeugen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1a bis c eine Veranschaulichung der Porigkeiten verschiedener pyrolysierter Holzarten mit
1a Birke, als Beispiel für zerstreutporiges Laubholz mit günstigen Verfahrenseigenschaften
1b Eiche, als Beispiel für ringporiges Laubholz mit ungünstigen Verfahrenseigenschaften
1c Lärche, als Beispiel für Nadelhölzer mit ungünstigen Verfahrenseigenschaften
2a bis c Darstellungen von Carbon-Vorkörpern aus zerstreutporigem Laubholz, Ahorn (für das Verfahren prädestiniert) mit den Verfahrensparametern
2a 600°C, 05 K/min
2b 600°C, 1 K/min
2c 600°C, 2 K/min
3a bis c Darstellungen von Carbon-Vorkörpern aus ringporigem Laubholz, Eiche (weniger für das Verfahren der Bauteilerzeugung geeignet) mit den Verfahrensparametern
3a 600°C, 0,5 K/min
3b 600°C, 1 K/min
3c 600°C, 2 K/min
4a bis c Darstellungen von Carbon-Vorkörpern aus Nadelholz, Lärche (weniger für das Verfahren der Bauteilerzeugung geeignet) mit den Verfahrensparametern
4a 600°C, 0,5 K/min
4b 600°C, 1 K/min
4c 600°C, 2 K/min
5a bis b Darstellungen eines SIC-Keramik-Bauteils
5a mit zwei Bohrungen
5b und Vergrößerung.
1a bis c zeigen drei Abbildungen zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Porigkeiten der Vorkörper aus vorgenannten Holzarten. 1a zeigt die für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugte Holzart, ein zertreutporiges Laubholz, als Beispiel die Birke. Die Poren sind bei dieser Holzart gleichmäßig über die Jahrringbreite verteilt. Auch nach der Pyrolyse und nachfolgender Wärmebehandlung bis 2200°C sind die Poren in der ursprünglichen Verteilung erhalten und unzerstört. 1b zeigt eine Aufnahme von Eiche als Vertreter der ringporigen Laubholzarten. 1c zeigt eine Aufnahme von Lärche als Vertreter der Nadelhölzer.
Alle Holzarten sind hoch poröse Stoffe, die einen hohen allerdings unterschiedlichen Anteil von Hohlräumen im Holzkörper aufweisen. Deutlich wird dies an Hand von 1a bis 1c. Bei den Holzarten unterscheidet man grob zwei große Gruppen: die Nadelhölzer und die Laubhölzer. Diese Unterscheidung sagt etwas über die Gefügestruktur des Holzkörpers, die Formen der Fotosyntheseorgane, den Stofftransport im Innern des Baumes. Ein wesentliches Kriterium für die Beurteilung der Nadelhölzer ist die Länge und Breite der Tracheiden – langgestreckte axial liegende Zellen im nicht lebenden Holzbereich. Die Länge der Tracheiden liegt bei 1500 bis 5000 μm. Diese kurzen Gefäße sind die Begrenzung der Nadelhölzer bei der Pyrolyse. Bei den Laubhölzern wird die Porigkeit durch die Tracheen beeinflusst, die Längen bis in den Meterbereich aufweisen.
Bei den ringporigen Laubhölzern bestehen große Unterschiede in den Querschnitten der Früh- und Spätholzporen, was zu Materialanhäufungen führen kann, während bei den zerstreutporigen Laubhölzern die Verteilung der Gefäße über den Jahresring weitgehend gleichmäßig ist. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich bevorzugt zerstreutporige Laubholzarten mit folgenden Porengrößen:
Durchmesser: 30 bis 200 μm
Porenanteil: 60 ... 95 %.
In der 2a bis c sind Carbon-Vorkörper aus Ahorn dargestellt, die bereits vollständig pyrolysiert sind. Die Vorkörper wurden mit verschiedenen Aufheizgeschwindigkeiten auf 600°C erwärmt (2a 0,5 K/min, 2b 1 K/min und 2c 2 K/min). Ergebnis: rissfreie Carbon-Vorkörper.
In 3a bis c und 4a bis c sind Beispiele für nicht entsprechend dem Verfahren ausgewählte Holzart dargestellt. Es wurden zum Vergleich Carbon-Vorkörper aus ringporiger Eiche und dem Nadelholz, Lärche, hergestellt, dabei einer Pyrolyse unter Aufheizbedingungen wie in 2 unterzogen.
Vor allem der in 3c und 4c dargestellte Vorköper ist für die weitere Bearbeitung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils ungeeignet.
5a und 5b zeigen ein SiC-Keramik-Bauteil mit zwei Bohrungen und einer vergrößerten Darstellung.

Claims

Verfahren zur Herstellung von SiC-Keramik aus biogenen Vorkörpern aus naturgewachsenem Holz, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Vorkörper aus einer zerstreutporigen Holzart mit natürlich gewachsener Porosität des Holzes gebildet wird, – der Vorkörper unter schonenden Aufheizbedingungen pyrolysiert wird, – der pyrolysierte Vorkörper zum Erreichen der Abmessungen des fertigen Bauteils bearbeitet wird, – und bis zum Erreichen der Infiltrationstemperatur erwärmt wird, und – das fertig bearbeitete Bauteil mit flüssigem Silicium infiltriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorkörper eine Holzart mit gleichmäßiger Porosität über die Jahrringbreite ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Holzart mit gleichmäßiger Porosität über die Jahrringbreite eine zerstreutporige Holzart wie Birke, Weide, Erle o. dgl. ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 0,5 K/min bis 1 K/min durchgeführt wird, und das Bauteil auf eine Temperatur von 1200 °C bis 2200°C gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltration bei einer Temperatur von 1600°C bis 1800°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkörper aus mehreren Stücken einer oder verschiedener Holzarten gebildet wird, wobei die Stücke durch ein kohlenstoffhaltiges und temperaturbeständiges Bindemittel verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verwendung als Mikrofilter eine ringporige Holzart ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verwendung als Schmuckelement eine Holzart mit einer ausgeprägten natürlichen Maserung ausgewählt wird.