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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes,
der aus mindestens einer keramischen und/oder mineralischen sowie
mindestens einer metallischen Komponente aufgebaut ist, mit geringem
apparativem und fertigungstechnischem Aufwand. Das Verfahren zeichnet
sich dadurch aus, dass ein hoher Keramik- bzw. Mineralanteil im
Verbundwerkstoff erreicht wird. Das Verfahren ist zur Verarbeitung
von beliebigen keramischen/mineralischen und schmelzbaren metallischen Ausgangsstoffen
geeignet
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Verbundwerkstoffe
sind Werkstoffe, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen,
die miteinander durch Stoff- oder Formschluss oder durch eine Kombination
aus beidem verbunden sind. Die Eigenschaften von Verbundwerkstoffen
unterscheiden sich oft erheblich von denen der einzelnen Ausgangsmaterialien. Üblicherweise
werden Verbundwerkstoffe über
die Wahl des Herstellungsverfahrens, der Ausgangsmaterialien und
deren Anteile derart konzipiert, dass die positiven Eigenschaften
der Ausgangsmaterialien im Verbundwerkstoff vereint und die negativen Eigenschaften
abgeschwächt
werden.
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Kombinationswerkstoffe
aus Keramik und Metall gewinnen für Anwendungen als Konstruktionswerkstoff
zunehmend an Bedeutung. Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch
eine hohe Temperaturstabilität,
hohe Verschleißfestigkeit,
große
Härte und
hervorragende Beständigkeit
gegenüber
Oxidation bzw. Korrosion aus; andererseits sind sie sehr spröde. Metallische
Werkstoffe, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, sind hingegen sehr
duktil; sie sind aber wesentlich weicher und anfälliger gegenüber mechanischen,
thermischen und chemischen Beanspruchungen. Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe
zeichnen sich nach wie vor durch die positiven Eigenschaften der
Keramiken aus, sie sind jedoch aufgrund des Metallanteils nicht
mehr spröde.
Bei der Verwendung von Leichtmetallen hat der Verbundwerkstoff im
Vergleich zum keramischen Material zusätzlich noch eine geringere
spezifische Dichte.
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Obwohl
natürlich
vorkommende Mineralien ähnliche
Werkstoffeigenschaften wie Keramiken haben, werden sie dennoch üblicherweise
nicht in Kombination mit Metallen für die Herstellung von Verbundwerkstoffen
verwendet.
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Eine
bekannte Methode zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen
besteht darin, die keramischen Zusätze in Form von Partikeln, Kurzfasern,
Langfasern oder Wiskern direkt in die Metallschmelze einzubringen.
Ein hoher Anteil von keramischen Zusätzen verändert jedoch das Fließ- und Erstarrungsverhalten
der Schmelze. Hinzu kommen unerwünschte
Effekte wie die Entmischung von Partikeln bzw. das Verklumpen von
Fasern. Deshalb werden bei so hergestellten Verbundwerkstoffen nur Keramikzusätze von
höchstens
30 Volumenprozent zugemischt. Dieser Keramikanteil ist jedoch für die meisten
Anwendungen zu gering.
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Verbundwerkstoffe,
die höheren
Ansprüchen genügen, weisen
regelmäßig einen
weitaus höheren Keramikanteil
auf. So werden zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit einem
Keramikanteil von bis zu 75 Volumenprozent in einem ersten Schritt
durch axiales bzw. isostatisches Pressen oder durch Extrudieren
keramische Vorkörper
mit einer Porosität
von 25 bis 75% hergestellt. Die metallische Komponente wird geschmolzen
und mittels Infiltration in den Vorkörper eingebracht. Oft ist jedoch
die Infiltration der Metallschmelzen, da die Schmelze den Vorkörper aufgrund
von geringer Kapillarität
und Reaktivität schlecht
benetzt, nur bei hohen Drücken,
wie z. B. 20 MPa, und hohen Temperaturen, ca. 500°C, möglich. Der
hohe Druck wirkt sich jedoch negativ auf die mechanischen Eigenschaften
des Vorkörpers
aus; so kann er z. B. Risse bekommen oder auch verformt werden.
Nachteilig ist auch der hohe Fertigungsaufwand des Verfahrens, hervorgerufen
durch die zunächst
notwendige Herstellung und die meist schwierige Infiltration des
Metalls bei schlechtem Benetzungsverhalten des Vorkörpers.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahlreiche Anregungen bekannt, die das
Ziel haben, den mit der Herstellung von hochwertigen, d. h. einen
hohen Keramikanteil aufweisenden, Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen
verbundenen Fertigungsaufwand zu verringern.
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So
wird in
WO 2004/043875
A2 vorgeschlagen, in das keramische Material des Vorkörpers metallisches
Titan und/oder Chrom als sogenannten Aktivator, also als Benetzungsmittel,
einzulagern. Die bevorzugte Menge des Aktivators, bezogen auf die keramische
Komponente, beträgt
10%. Bei Verwendung von zumindest teilweise oxidischem Keramikmaterial,
soll damit eine drucklose Infiltration von Metall in den Vorkörper ermöglicht werden.
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In
JP 2002249833 A wird
angeregt, einen aus Aluminiumnitrid bestehenden Vorkörper mit
Aluminiumoxid zu beschichten. Dies soll gleichfalls eine druckfreie
Infiltration, hier von einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung,
ermöglichen.
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Die
in beiden Schriften vorgeschlagene Verwendung von Stoffen, welche
die Benetzung des Vorkörpers
mit dem zu infiltrierenden Metall verbessern, kann zwar eine druckfreie
Infiltration ermöglichen,
sie ist jedoch mit zusätzlichem
Material- und Herstellungsaufwand verbunden. Nachteilig ist auch,
dass diese Methode nur für
spezielle Kombinationen von Keramiken und Metallen verwendbar ist.
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In
JP 2001073046 A wird
eine Herstellungsmethode für
Keramik-Metall-Werkstoffe offenbart, nach welcher der keramische
Vorkörper,
während der
Infiltration der metallischen Komponente, zu einer Vibrationsschwingung
mit einer Frequenz von 50 Hz angeregt wird. Dies soll die Benetzung
des keramischen Materials fördern,
sodass mit dieser Methode Materialien mit höheren spezifischen Dichten
und besseren Wärmeleitfähigkeiten
erhalten werden.
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Es
ist durchaus plausibel, dass das Aufbringen von Vibrationen eine
Verbesserung der Benetzung bewirkt. Als alleinige Methode zur drucklosen Injektion
von schlecht benetzenden Metallen ist sie jedoch unzureichend.
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Dagegen
wird in
JP 63079923
A vorgeschlagen, die keramische Komponente in gekörnter Form in
eine Küvette
zu geben, flüssiges
Metall darauf zu gießen
und anschließend
die Küvette
zu evakuieren. Da das flüssige
Metall als Flüssigkeitssäule über der Keramik
steht, wird das Metall durch die Schwerkraft in die Schüttung aus
Keramikkörnern
gedrückt.
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Es
hat sich gezeigt, dass mit dieser Methode die Schmelze üblicherweise
nur einige Zentimeter in die Schüttung
eindringt. Das Verfahren ist folglich auf die Fertigung von sehr
flachen Teilen beschränkt.
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Weiterhin
wird in
JP 2000178668
A wird angeregt, aus Pulver bzw. Fasern aus Siliziumnitrid
mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ungefähr einem
Mikrometer einen Vorform mit einer Packungsdichte von bis zu 80
Volumenprozent herzustellen und diese im Vakuum beziehungsweise
unter Schutzgas mit einem Druck von 10
–3 Torr
(10
–3 mbar) mit
einer flüssigen
Aluminiumlegierung zu infiltrieren.
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Durch
die Wahl von Ausgangsstoffen, die eine gute Benetzung der keramischen
Vorform ermöglichen,
kann auch eine allein durch die Schwerkraft getriebene Infiltration
möglich
sein. Das Verfahren ist jedoch auf günstige Stoffkombinationen beschränkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen.
Insbesondere soll ein Verfahren gefunden werden, dass die Herstellung
von Verbundwerkstoffen, die einen hohen Keramik- und/oder Mineralanteil
von bis zu 80% aufweisen, mit jedoch vergleichsweise geringem apparativem
und fertigungstechnischem Aufwand ermöglicht. Das Verfahren soll
für beliebige
keramische/mineralische und schmelzbare metallische Ausgangsstoffe
und unabhängig
von der Größe und Form
der keramischen/mineralischen Teilchen verwendbar sein.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausführungen
und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis
11.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, der aus mindestens jeweils
eine keramischen/mineralischen und einer metallischen Komponente
besteht, umfasst die folgenden Herstellungsschritte:
Zu Beginn
wird auf die Innenseite eines hitzebeständigen Gefäßes, wie z. B. einer Gussküvette, eine Schlichte
aufgebracht. Die Schlichte besteht aus einer streichfähigen Paste,
die Pulver aus ungebrannter Keramik oder Graphitpulver enthält. Die
Schlichte verhindert ein Anhaften der Materialien, die später in das
Gefäß gegossen
werden.
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In
einem zweiten Schritt wird keramisches Material in das Gefäß bis zu
einem Füllstand
von 60 bis 95% eingefüllt.
Die verbleibende Füllhöhe wird später zum
Eingießen
des Metalls benötigt.
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Das
keramische/mineralische Material ist ausgeformt als Körnungen,
Kurzfasern, Langfasern, Wiskern oder beliebige Mischungen solcher
Teilchen. Sollen Werkstoffe mit besonders hohen Zugfestigkeiten
erzeugt werden, werden zusätzlich
Gewebematten aus Keramik- oder Metallfasern eingelegt. Zur Herstellung
besonders kostengünstiger
Werkstoffe werden mineralische Teilchen wie Sand, Kiesel oder Bruchstücke von
Steinen verwendet.
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Nach
dem Einfüllen
des keramischen/mineralischen Materials wird dieses auf eine Temperatur erhitzt,
die maximal 90% der Schmelztemperatur der eingesetzten metallischen
Komponente beträgt,
da eine Abschreckung der Metallschmelze bei der Infiltration in
die Schüttung
der Keramikteilchen vor allem zur Vermeidung von Entmischungs- und
Auftriebseffekten notwendig ist. Üblicherweise werden deshalb die
Keramik-/Mineralteilchen nicht auf 90% der Schmelztemperatur der
metallischen Komponente, sondern lediglich auf einige 100°C erwärmt.
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Es
ist vorteilhaft, in der Schüttung
einen Gradienten in der Art aufzubauen, dass der Verbundwerkstoff
außen
eine besonders abriebfeste Keramik, wie z. B. Bornitrid, und innen
einen duktilen Kern aufweist. Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
in den Verbundwerkstoff Rohre eingelegt sein können, die dem Transport von
Fluiden dienen.
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Die
metallische Komponente wird in einem gesonderten Behältnis eingeschmolzen
und die Schmelze in das Gefäß mit den
Keramik-/Mineralteilchen eingefüllt. Üblicherweise
dringt unter diesen Bedingungen die Metallschmelze nur geringfügig in die Schüttung der
Keramik-/Mineralteilchen ein.
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Danach
wird das Gefäß, das nunmehr
Keramik-/Mineralteilchen und die darüber gegossene Metallschmelze
enthält,
in eine evakuierbare Kammer eingebracht. Mit Hilfe einer Evakuierungsvorrichtung, wie
z. B. einer Vakuumpumpe, wird die Luft aus der Kammer und infolgedessen
auch aus dem Gefäß abgesaugt.
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Während der
Evakuierung wird die Luft aus der Schüttung der Keramik-/Mineralteilchen
abgesaugt. Die Luft tritt dabei in Form von Luftblasen durch die
Metallschmelze, welche die Schüttung
luftdicht bedeckt. Durch Überwachung
der aus der Schmelze austretenden Luftblasen, die über die üblicherweise
in Vakuumanlagen befindlichen Sichtfenster vorgenommen wird, kann
festgestellt werden, wenn die Evakuierung abgeschlossen ist.
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Bei
einem automatisierten Fertigungsprozess ist die Kontrolle der Gasblasen
selbstverständlich
nicht jedes Mal notwendig. In diesem Fall wird die Evakuierungszeit
für ein
System empirisch ermittelt und mit einem Sicherheitszuschlag versehen.
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Wenn
keine Gasblasen mehr aus der Metallschmelze entweichen bzw. die
Evakuierungszeit abgelaufen ist, wird die Vakuumpumpe über ein
Ventil von der Kammer getrennt und danach die Kammer belüftet.
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Erfahrungsgemäß dringt
während
des Abpumpens der Luft die Metallschmelze, die als Flüssigkeitssäule über den
Keramik-/Mineralteilchen steht, aufgrund der Gewichtskraft einige
Zentimeter in die Schüttung.
Beim Belüften
der Vakuumskammer drückt
zusätzlich
Luft mit einem ansteigenden Druck, der am Ende der Belüftung Atmosphärendruck
erreicht, von oben auf die Metallschmelze, wodurch eine vollständige Infiltration
der Schüttung
der Keramik-/Mineralteilchen mit Metall bewirkt wird. Voraussetzung
hierfür
ist allerdings, dass die Keramik-/Mineralteilchen und das Gefäß auf eine
geeignete Temperatur, üblicherweise
einige 100°C,
vorerwärmt
wurden, so dass verhindert wird, dass die Metallschmelze während der
Infiltration zu schnell erstarrt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Herstellung zweier 50 cm langen
und 50 cm breiten Platten deren Dicken 1 bis 5 cm betragen, näher erläutert; hierzu
zeigen in schematischer Darstellung:
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1:
Das Gefäß mit Schüttung und
Metallschmelze während
der Evakuierung
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2:
Das Gefäß mit Schüttung und
Metallschmelze beim Belüften
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Im
ersten Beispiel wird als mineralisches Material Sand 3 in
die Küvette 1,
die eine Höhe
von 70 cm hat und deren Innenwand 2 mit einer Schlichte behandelt
ist, eingefüllt.
Die Sandschüttung
weist eine Porosität
von 25 bis 40% auf. Die Füllhöhe des Sandes
beträgt
ca. 50 cm. Die Küvette 1 hat
eine hochkantige Form, d. h. ihre Höhe ist größer als ihrer Breite und ihre
Länge.
Die Küvette 1 und
der Sand 3 werden auf eine Temperatur von 300°C erwärmt. Danach
wird geschmolzenes Aluminium 4 in die Küvette 1 und auf die
Sandschüttung 3 gegossen.
Das Aluminium 4 wird bis zu maximalen Füllhöhe 5 der Küvette 1 von
70 cm eingefüllt.
Wesentlich ist, dass die Füllung über die
Länge,
also nicht liegend, erfolgt, um ein Entmischen der Werkstoffkomponenten
zu vermeiden.
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Die
Küvette 1 mit
dem Sand 3 und der Aluminiumschmelze 4 wird in
eine evakuierbare Kammer eingebracht. Die Kammer wird anschließend mit
einer Vakuumpumpe abgepumpt. Wie in 1 dargestellt,
dringt die Aluminiumschmelze 4, die vor dem Evakuieren
der Kammer praktisch auf der Sandschüttung 3 auflag, aufgrund
der Schwerkraft einige Zentimeter in den Sand 3 ein. Außerdem entweicht während des
Evakuierens die im Sand 3 eingeschlossene Luft durch die
Metallschmelze 4. Während
dieser Zeit kann ein Austreten von Luftblasen 6 aus der
Metallschmelze 4 beobachtet werden.
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Sobald
keine Luftblasen mehr austreten, d. h. der Evakuierungsvorgang abgeschlossen
ist, wird die Vakuumpumpe von der Kammer getrennt und sofort danach
die Kammer belüftet.
Für eine
Massenfertigung kann die notwendige Evakuierungszeit, die typischerweise
in der Größenordnung
von mehreren Sekunden bis zu wenigen Minuten liegt, auch empirisch
ermittelt werden. Wie in 2 dargestellt, drückt der
sich während
des Belüftens
aufbauende Atmosphärendruck
das flüssige
Aluminium 4 vollständig
in die Sandschüttung 3 hinein.
Da die Sandschüttung 3 eine
Temperatur von 300°C
hat, die Schmelztemperatur des Aluminiums 4 jedoch 660°C beträgt, erstarrt
das Aluminium 4 sobald es in die Sandschüttung 3 eingedrungen
ist. Durch das gezielte Abschrecken der Aluminiumschmelze 4 werden Entmischungs-
und Auftriebseffekte vermieden. Andrerseits muss jedoch die Temperatur
der Sandschüttung 3 so
hoch gewählt
werden, dass die Aluminiumschmelze 4 erst nach dem vollständigen Eindringen in
die Schüttung 3 erstarrt.
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Wie
bei Gussverfahren allgemein üblich, wird
bei der Herstellung Aluminium 4 im Überschuss eingesetzt. Dies
hat zur Folge, dass sich nach Herstellung der Platte an deren Oberkante
eine wenige Zentimeter dicke Aluminiumsschicht, die keinen Sand 3 enthält, befindet.
Diese Schicht, die während des
Gießens
die Funktion eines Speisers übernimmt, muss
zur Fertigstellung der Platte entfernt werden. Wie erwähnt, wird
für die
Herstellung der Platte immer eine Gussküvette 1 mit einem
hochkantigen Format gewählt.
Der Grund hierfür
ist, dass dadurch die Kontaktfläche
zwischen Werkstoff und Speiser verhältnismäßig klein ausfällt und
dieser infolgedessen einfacher entfernt werden kann, als im Falle
der Verwendung von flachen Küvetten.
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Der
Einsatz von Aluminium als metallische Komponente bringt mehrere
Vorteile mit sich. Da Aluminium sehr leicht und duktil ist, können unter
Verwendung von Aluminium Verbundwerkstoffe mit vergleichsweise geringer
spezifischer Dichte und hoher Bruchfestigkeit hergestellt werden.
Aluminium ist außerdem
gut schmelzbar und vergleichsweise preiswert, wodurch die Herstellung
eines kostengünstigen Verbundwerkstoffes
mit nur geringem technischem Aufwand ermöglicht wird.
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Der
Verbundwerkstoff aus Sand 3 und Aluminium 4 zeichnet
sich dadurch aus, dass er mechanisch sehr schwer bearbeitbar ist,
da die Sandkörner 3 eine
rasche Abstumpfung von mechanischen Werkzeugen bewirken. Der Anteil
des duktilen Aluminiums 4 verhindert andererseits ein Zerbrechen
bzw. Zersplittern des Werkstoffes. Eine thermische Bearbeitung,
wie z. B. die Bearbeitung mit einem Schneidbrenner, ist ebenfalls
schwierig, da diese zur Oxidation des Aluminiums 4 führt, wodurch,
da der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid bei über 2000°C liegt, eine extrem hochschmelzende
Verbindung gebildet wird.
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Der
Verbundwerkstoff ist deshalb hervorragend als Wandkomponente für Tresore,
Bügel von Sicherheitsschlössern oder
für den
Einsatz als beschusssicheres Element geeignet. Ein weiterer vorteilhafter
Einsatz ist die Verwendung als rutschfeste Bodenplatte mit einer
hohen abrasiven Festigkeit.
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Im
Anwendungsbeispiel 2 werden als keramische/mineralische Komponente
anstatt des Sandes, Bruchstücke
von Keramiken/Mineralien mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität, wie z.
B. Bruchstücke
von Schamotten oder von Specksteinen, eingesetzt. Als metallische
Komponente 4 wird gleichfalls Aluminium verwendet. Die
Vorgehensweise zur Herstellung des Verbundwerkstoffs entspricht grundsätzlich der
im Anwendungsbeispiel 1 beschriebenen. Einzelne Herstellungsparameter,
wie die Temperatur der Vorerwärmung
des keramischen/mineralischen Materials 3 sowie das Mengenverhältnis zwischen
Aluminium 4 und den aus keramischem oder mineralischem
Material bestehenden Bruchstücken 3,
müssen
allerdings angepasst werden. Da die Bruchstücke größer als die Sandpartikel sind,
ist eine höhere
Temperatur der Vorerwärmung von
ca. 400°C
notwendig. Durch die unregelmäßigere Form
der Bruchstücke 3 erhöht sich
auch der Mengenanteil des Aluminiums 4.
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Verbundwerkstoffe
aus Aluminium und Speckstein bzw. Schamott eigen sich sehr gut als Wärmespeicher.
Das Aluminiumsgerüst
bewirkt eine schnelle Verteilung der Wärme im Verbundwerkstoff. Die
Speckstein- bzw. Schamottpartikel sind aufgrund ihrer hohen spezifischen
Wärmekapazität sehr gute Wärmespeicher.
Da die Oberfläche
der meisten Partikel vollständig
vom Aluminium umgeben ist, erfolgt ein schneller Wärmeübertrag
vom Aluminiumgerüst auf
die Partikel. Infolgedessen können
auf diesem Verbundwerkstoff basierende Wärmespeicher die Wärme wesentlich
schneller aufnehmen bzw. abgeben, als Speicher aus reinem Speckstein
bzw. Schamott.
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Der
Verbundwerkstoff ist auch thermisch nachhaltig belastbar, da durch
das Gießverfahren
ein Zustand höherer
Temperatur "eingefroren", d. h. die spätere Anwendungstemperatur
vorweggenommen wurde. Infolgedessen treten bei hohen Temperaturen praktisch
keine thermischen Spannungen im Verbundwerkstoff auf. Damit erfolgt
eine Anpassung an den Anwendungsfall, d. h., an die spätere Betriebstemperatur.
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- 1
- Gefäß, Küvette
- 2
- Gefäßwand
- 3
- Keramische/mineralische
Teilchen, Sand
- 4
- Metall,
Aluminium
- 5
- Füllgrenze
des Metalls
- 6
- Luftblase