DE102010003212A1 - Producing a component made of a fiber composite material, comprises producing a green body with a matrix made of resin and carbon fibers incorporated into the matrix, and introducing the green body into a microwave oven - Google Patents

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Abstract

The method for producing a component made of a fiber composite material, comprises producing a green body (7) with a matrix made of resin and carbon fibers incorporated into the matrix, introducing the green body into a microwave oven, and pyrolyzing the green body using pulsed microwave effect. The green body is produced at 150-260[deg] C by hot pressing, and is heated with a heating rate of 1400-2200[deg] C per hour using a microwave-absorbing susceptor (6, 10), which is positively contacted with the green body under interposition of an intermediate layer. The method for producing a component made of a fiber composite material, comprises producing a green body (7) with a matrix made of resin and carbon fibers incorporated into the matrix, introducing the green body into a microwave oven, and pyrolyzing the green body using pulsed microwave effect. The green body is produced at 150-260[deg] C by hot pressing, and is heated with a heating rate of 1400-2200[deg] C per hour using a microwave-absorbing susceptor (6, 10), which is positively contacted with the green body under interposition of an intermediate layer. The green body is pressed using the plate-shaped susceptor during the microwave effect. The green body is heated in heating zones at different heating rates. The green body is kept at a maximum pyrolysis temperature for a holding time of 10-20 minutes. The green body is heated in a first heating zone with a first heating rate of 2000[deg] C per hour at a temperature of 400[deg] C. The green body is heated in a second heating zone with a second heating rate of 1500[deg] C per hour at a temperature of 600[deg] C. The green body is heated in a third heating zone with a third heating rate of 2000[deg] C per hour at a temperature of 900[deg] C. The pyrolyzed green body is cooled with a cooling rate of 800[deg] C per hour, and is infiltrated at 1550-1750[deg] C under vacuum with silicon.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Pyrolyse eines Grünkörpers.The The invention relates to a method for producing a component made of a fiber composite material. It relates in particular to a method for pyrolysis of a green body.

Die EP 0 915 070 A2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mit Kohlenstofffasern verstärkten, keramisierten Formkörpers. Dazu wird zunächst ein Grünkörper hergestellt, bei dem in einer aus einem Phenolharz gebildeten Matrix Kohlenstofffasern enthalten sind. Der Grünkörper wird pyrolysiert. Infolge der Pyrolyse bleibt von der Matrix ein poröses Kohlenstoffgerüst zurück. Der poröse Grünkörper wird anschließend mit flüssigem Silizium infiltriert. Dabei reagiert der Kohlenstoff der Matrix mit dem flüssigen Silizium zu Siliziumkarbid. – Die Pyrolyse des Grünkörpers erfordert bei dem bekannten Verfahren einen Zeitaufwand von meist mehr als 30 Stunden. Abgesehen davon weist der pyrolysierte Grünkörper keine besonders hohe Formtreue auf.The EP 0 915 070 A2 describes a method for producing a carbon fiber reinforced, ceramic molded body. For this purpose, first a green body is produced in which carbon fibers are contained in a matrix formed from a phenolic resin. The green body is pyrolyzed. As a result of the pyrolysis, a porous carbon skeleton remains from the matrix. The porous green body is then infiltrated with liquid silicon. The carbon of the matrix reacts with the liquid silicon to form silicon carbide. - The pyrolysis of the green body requires in the known method, a time of usually more than 30 hours. Apart from that, the pyrolysed green body does not have a particularly high dimensional accuracy.

Die DE 199 29 666 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein thermoplastisches Faserverbundhalbzeug mittels Mikrowellen auf eine Temperatur im Bereich von 120°C erwärmt wird. Die Erwärmung mittels Mikrowellen dient der Aushärtung des zur Herstellung des Faserverbundhalbzeugs verwendeten Polymers.The DE 199 29 666 A1 describes a method in which a thermoplastic fiber composite semi-finished product is heated by means of microwaves to a temperature in the range of 120 ° C. The heating by means of microwaves serves to cure the polymer used for producing the fiber composite semifinished product.

Die EP 1 547 992 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, bei dem eine Faser-Harz-Mischung mit nicht ausgehärtetem Harz pyrolysiert wird. Bei diesem Verfahren wird es als vorteilhaft angesehen, dass die Aushärtung des Harzes beim Pyrolysevorgang erfolgt.The EP 1 547 992 A1 describes a method of manufacturing a fiber composite component wherein a fiber-resin mixture is pyrolyzed with uncured resin. In this method, it is considered advantageous that the curing of the resin takes place during the pyrolysis process.

Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass der Pyrolysevorgang zeitaufwändig ist. Der damit hergestellte poröse Grünling weist keine besonders hohe Formtreue auf.Also This method has the disadvantage that the pyrolysis process is time-consuming is. The porous green compact produced with it no particularly high form faithfulness.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, welches eine Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit vermindertem Zeit- und Kostenaufwand ermöglicht. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein beim Verfahren hergestellter pyrolysierter Grünkörper eine möglichst hohe Formtreue aufweisen.task The invention is to the disadvantages of the prior art remove. In particular, a method is to be specified, which is a production of a component made of a fiber composite material With reduced time and cost allows. To Another object of the invention is a manufactured in the process Pyrolyzed green body one possible have high dimensional accuracy.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14.These The object is solved by the features of claim 1. Expedient embodiments of the invention result from the features of claims 2 to 14.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Schritten vorgeschlagen:
Herstellung eines Grünkörpers mit einer Matrix aus einem Harz und in der Matrix aufgenommenen Kohlenstofffasern,
Einbringen des Grünkörpers in einen Mikrowellenofen und
Pyrolysieren des Grünkörpers mittels gepulster Mikrowelleneinwirkung.
According to the invention, a method is proposed for producing a component from a fiber composite material with the following steps:
Production of a green body with a matrix of a resin and carbon fibers accommodated in the matrix,
Introducing the green body in a microwave oven and
Pyrolysis of the green body by means of pulsed microwave action.

Bei einem ”Grünkörper” handelt es sich im Sinne der vorliegenden Erfindung um einen im Wesentlichen festen Körper, bei dem das die Matrix bildende Harz vernetzt bzw. weitgehend ausgehärtet ist. Die Vernetzung des zunächst fließfähigen Harzes kann mittels herkömmlicher Techniken, beispielsweise durch Zusetzen eines Härters, durch Einwirkung von Strahlung, durch Temperatur- und Druckeinwirkung, insbesondere durch Warmpressen, und dgl. erreicht werden.at it is a "green body" within the meaning of the present invention, essentially one solid body in which the matrix-forming resin cross-links or has largely cured. The networking of the first flowable resin can by means of conventional Techniques, for example by adding a hardener, by the action of radiation, by temperature and pressure, in particular by hot pressing, and the like can be achieved.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff ”gepulste Mikrowelleneinwirkung” eine Beaufschlagung des Grünkörpers mit Mikrowellen verstanden, welche zeitweise unterbrochen ist. D. h. der Grünkörper wird während Anschaltintervallen mit Mikrowellen beaufschlagt. Zwei Anschaltintervalle werden durch ein Abschaltintervall unterbrochen. Die Dauer der Anschalt- und Abschaltintervalle ist variabel. Auch eine eingestrahlte Mikrowellenleistung kann von Anschaltintervall zu Anschaltintervall variiert werden. Vorteilhafterweise hat ein Anschaltintervall eine Dauer im Bereich von 5 Sekunden bis 300 Sekunden, besonders bevorzugt von 10 Sekunden bis 200 Sekunden. Ein Abschaltintervall hat vorteilhafterweise eine Dauer im Bereich von 10 Sekunden bis 600 Sekunden, vorzugsweise 20 Sekunden bis 200 Sekunden. Zumindest während zwei aufeinanderfolgender Anschaltintervalle kann dieselbe Mikrowellenleistung eingestrahlt werden. Ein Abschaltintervall zwischen zumindest zwei aufeinanderfolgenden Anschaltintervallen weist vorteilhafterweise dieselbe Dauer auf. Desgleichen können auch zumindest zwei aufeinanderfolgende Abschaltintervalle dieselbe Dauer aufweisen. – Das Vorsehen der Abschaltintervalle ermöglicht eine besonders schonende Entgasung des Grünkörpers. Es wird insbesondere die Bildung und das Platzen gasgefüllter Hohlräume vermieden. Der erfindungsgemäß hergestellte pyrolysierte Grünkörper zeichnet sich durch eine hohe Formtreue aus.in the For the purposes of the present invention, the term "pulsed Microwave action "an exposure of the green body understood with microwaves, which is temporarily interrupted. Ie. the green body is during power up intervals with Microwaves applied. Two switch-on intervals are switched on Switch-off interval interrupted. The duration of the switch-on and switch-off intervals is variable. Even a radiated microwave power can from Switch-on interval to switch-on interval can be varied. advantageously, a turn-on interval has a duration in the range of 5 seconds to 300 seconds, more preferably from 10 seconds to 200 seconds. A switch-off interval advantageously has a duration in the range from 10 seconds to 600 seconds, preferably 20 seconds to 200 Seconds. At least during two consecutive turn-on intervals the same microwave power can be radiated. A switch-off interval between at least two consecutive turn-on intervals advantageously has the same duration. Likewise also at least two consecutive turn-off intervals the same Have duration. - The provision of the switch-off intervals allows a particularly gentle degassing of the green body. In particular, the formation and bursting becomes gas-filled Cavities avoided. The pyrolysed prepared according to the invention Green body is characterized by a high form loyalty out.

Zur Herstellung des Grünkörpers wird ein kohlenstoffreiches Harz verwendet. Nach der Pyrolyse des Grünkörpers verbleiben von der Matrix zumindest 40 Gew.% an Kohlenstoff. Der Kohlenstoff bildet ein poröses Gerüst, welches von der Kohlenstofffaser durchzogen wird.to Production of the green body becomes a carbon-rich Resin used. After pyrolysis of the green body remain from the matrix at least 40 wt.% Of carbon. Of the Carbon forms a porous framework which is traversed by the carbon fiber.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Pyrolysedauer überraschenderweise drastisch verringert werden. Unter Verwendung von gepulster Mikrowelleneinwirkung ist es möglich, einen Grünkörper innerhalb einer Zeitdauer von weniger als 1 Stunde zu pyrolysieren. Damit kann ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere einer Faserverbundkeramik, drastisch verkürzt und damit erheblich kostengünstiger durchgeführt werden.With the proposed method, the pyrolysis is surprisingly be drastically reduced. Using pulsed microwave exposure is it possible to have a green body inside to pyrolyze for a period of less than 1 hour. In order to a method for producing a component from a fiber composite material, especially a fiber composite ceramic, drastically shortened and thus considerably cheaper become.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Grünkörper mittels Warmpressen bei einer Temperatur von 150°C bis 260°C hergestellt. Ein Pressdruck beträgt vorteilhafter weise 10 bis 20 bar. Das ermöglicht die Herstellung exakt dimensionierter Grünkörper. Beim Warmpressen vernetzt das Harz weitgehend. Der Grünkörper ist weitgehend porenfrei und weist eine homogene Struktur auf.To An advantageous embodiment of the invention is the green body by means of hot pressing at a temperature of 150 ° C to 260 ° C made. A pressing pressure is more advantageous Wise 10 to 20 bar. This allows the production exactly dimensioned green body. Networked during hot pressing the resin largely. The green body is largely non-porous and has a homogeneous structure.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Kohlenstofffasern vor der Herstellung des Grünkörpers bei einer Temperatur im Bereich von 600°C bis 900°C getempert. Das Tempern kann für eine Dauer von 0,5 bis 3,5 Stunden unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgen, welche im Wesentlichen aus Argon oder Stickstoff gebildet ist.To In another advantageous embodiment, the carbon fibers before the production of the green body at a Temperature in the range of 600 ° C to 900 ° C annealed. Annealing can last for 0.5 to 3.5 hours be carried out under a protective gas atmosphere, which is substantially is formed of argon or nitrogen.

Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, als Harz ein Harz zu verwenden, welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Phenolharz, Pech, PMMA, PU, PAI. Insbesondere eignet sich kohlenstoffreiche Duromere und pechbasierte Rohstoffe zur Verwendung als Harz. Of Furthermore, it has proven to be expedient to use as the resin a resin selected from the following group is selected: phenolic resin, pitch, PMMA, PU, PAI. Especially is suitable for carbon-rich thermosets and pitch-based raw materials for use as a resin.

Als Kohlenstofffasern können Kurzfasern, Endlosfasern, vorimprägnierte Gewebe und zu Geweben, Gewirken, Vliesen oder dgl. verarbeitete Kohlenstofffasern verwendet werden.When Carbon fibers can be short fibers, continuous fibers, preimpregnated Woven fabrics and fabrics, knitted fabrics, nonwovens or the like. Processed carbon fibers be used.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Grünkörper mit einer Aufheizrate von 1400°C pro Stunde bis 2200°C pro Stunde aufgeheizt. Der Grünkörper kann insbesondere in mehreren Stufen aufgeheizt werden, die sich in der Aufheizrate unterscheiden.To a further advantageous embodiment of the method is the Green body with a heating rate of 1400 ° C heated to 2200 ° C per hour per hour. The green body can be heated in particular in several stages, which are located in differentiate the heating rate.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Aufheizen des Grünkörpers zumindest ein Mikrowellenabsorbierender Suszeptor verwendet. Ein solcher Suszeptor heizt sich infolge der Absorption von Mikrowellen schnell auf und gibt die aufgenommene Wärme insbesondere in Form von IR-Strahlung an den Grünkörper ab. Abgesehen davon wird der Grünkörper mittels des Suszeptors durch direkte Wärmeleitung und Konvektion aufgeheizt. Vorteilhafterweise ist der zumindest eine Suszeptor, vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Zwischenschicht, formschlüssig mit dem Grünkörper in Kontakt. Die Zwischenschicht ist dabei aus einem Material hergestellt, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Druckfestigkeit aufweist. Wegen des formschlüssigen Kontakts wird eine besonders effektive Übertragung der Wärme vom Suszeptor auf den Grünkörper erreicht. In diesem Fall wird der Grünkörper also sowohl durch die Absorption von Mikrowellenenergie als auch die Absorption von IR-Strahlung, durch direkte Wärmeleitung und Konvektion aufgeheizt. Die Verwendung eines Suszeptors in unmittelbarem Kontakt zum Grünkörper hat vorteilhafterweise den Effekt, dass ein Temperaturgradient zwischen dem Grünkörper und der Umgebung während der Aufheizphase besonders klein ist. Infolgedessen können im Grünkörper auftretende thermomechanische Spannungen klein gehalten und eine Delamination des Grünkörpers auch bei hohen Aufheizraten vermieden werden.To a further advantageous embodiment of the invention is for Heating the green body at least one microwave absorbing Susceptor used. Such a susceptor heats up as a result of Absorption of microwaves quickly increases and releases the absorbed Heat in particular in the form of IR radiation to the green body from. Apart from that, the green body is using of the susceptor heated by direct heat conduction and convection. Advantageously, the at least one susceptor, preferably with interposition of an intermediate layer, positive fit in contact with the green body. The intermediate layer is made of a material that has good thermal conductivity and has a high compressive strength. Because of the form-fitting Contact will be a particularly effective transfer of Heat from the susceptor to the green body reached. In this case, the green body is so both by the absorption of microwave energy and the Absorption of IR radiation, by direct heat conduction and convection heated up. The use of a susceptor in immediate Contact to the green body has advantageously the effect of having a temperature gradient between the green body and the environment during the heating phase particularly small is. As a result, occurring in the green body thermomechanical stresses kept small and a delamination the green body avoided even at high heating rates become.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Grünkörper während der Mikrowelleneinwirkung, vorzugsweise mittels zumindest eines plattenförmigen Suszeptors, gepresst. Damit kann die Formtreue des Grünkörpers verbessert werden.To a further advantageous embodiment of the green body during microwave exposure, preferably by means of at least one plate-shaped susceptor, pressed. In order to can improve the dimensional accuracy of the green body become.

Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass der Grunkörper in mehreren, eine unterschiedliche Aufheizrate aufweisenden Aufheizstufen aufgeheizt wird. Innerhalb ein und derselben Aufheizstufe kann ein eine erste Dauer aufweisendes erstes Abschaltintervall verwendet werden. Am Ende jeder Aufheizstufe kann ein zweites Abschaltintervall mit einer zweiten Dauer vorgesehen sein. Die zweite Dauer kann verschieden von der ersten Dauer sein. Sie kann insbesondere größer oder auch kleiner als die erste Dauer sein.Of Furthermore, it has proven to be expedient that the Grunkörper in several, a different Heating rate having heating stages is heated. Within one and the same heating stage may have a first duration exhibiting first Shutdown interval can be used. At the end of each heating stage can a second shutdown interval with a second duration provided be. The second duration may be different from the first duration. she can in particular be larger or smaller than that first duration.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Grünkörper auf einer maximalen Pyrolysetemperatur für eine Haltezeit von 5 bis 60 Minuten, vorzugsweise 10 bis 20 Minuten, gehalten wird. Die maximale Pyrolysetemperatur kann beispielsweise im Bereich von 850°C bis 1650°C, vorzugsweise im Bereich von 950°C bis 1250°C, liegen.To A further advantageous embodiment provides that the green body at a maximum pyrolysis temperature for a hold time of 5 to 60 minutes, preferably 10 until 20 minutes, is held. The maximum pyrolysis temperature can for example in the range from 850 ° C to 1650 ° C, preferably in the range of 950 ° C to 1250 ° C, lie.

Nachfolgend wird der pyrolysierte Grünkörper bei einer Abkühlrate von zumindest 750°C bis 850°C pro Stunde, vorzugsweise etwa 800°C pro Stunde, abgekühlt. Die vorgeschlagene hohe Abkühlrate trägt weiter zur Beschleunigung des Verfahrens bei.following becomes the pyrolyzed green body at a cooling rate of at least 750 ° C to 850 ° C per hour, preferably about 800 ° C per hour, cooled. The proposed high cooling rate further contributes to the acceleration of the method.

Anschließend kann der pyrolysierte Grünkörper nochmals bei einer Temperatur im Bereich von 1500°C bis 1700°C, vorzugsweise 1600°C bis 1680°C, unter Vakuum pyrolysiert werden. Diese weitere Pyrolyse dient der Entfernung niedermolekularer Abbauprodukte sowie zur Erzeugung einer besonders hohen Reaktivität des Kohlenstoffs.Subsequently can the pyrolyzed green body again at a temperature in the range of 1500 ° C to 1700 ° C, preferably 1600 ° C to 1680 ° C, pyrolyzed under vacuum become. This further pyrolysis serves to remove low molecular weight degradation products and to generate a particularly high reactivity of the Carbon.

Der pyrolysierte Grünkörper kann nachfolgend in herkömmlicher Weise bei einer Temperatur im Bereich von 1550°C bis 1750°C, vorzugsweise etwa 1650°C, unter Vakuum mit Silizium oder metallischen Legierungen infiltriert werden. Infolgedessen wandelt sich der bei der Pyrolyse gebildete Kohlenstoff in Siliziumkarbid um. Es wird eine mit Kohlenstofffasern verstärkte Siliziumkarbid-Keramik gebildet.Of the Pyrolysed green bodies can be described below in conventional At a temperature in the range of 1550 ° C to 1750 ° C, preferably about 1650 ° C, under vacuum with silicon or metallic alloys are infiltrated. As a result, converts The carbon formed during pyrolysis in silicon carbide around. It becomes a carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic educated.

Nachfolgend werden Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:following Embodiments of the invention with reference to the drawings explained. Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, 1 a schematic cross-sectional view of a first arrangement for carrying out the method,

2 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, 2 a schematic cross-sectional view of a second arrangement for carrying out the method,

3 einen Temperaturverlauf über der Zeit und 3 a temperature course over time and

4 einen Temperatur- und Mikrowellenleistungsverlauf über der Zeit. 4 a temperature and microwave power curve over time.

In 1 und 2 ist eine Mikrowellenquelle 1 über einen mit einer Trennscheibe 2, die beispielsweise aus Quarzglas hergestellt sein kann, verschlossenen Wellenleiter 2a mit einer Reaktionskammer 3 verbunden. Die Reaktionskammer 3 weist eine aus Stahl hergestellte äußere Hülle auf, welche an ihrer Innenseite mit einem Kohlenstofffilz 4 versehen ist. Auf der dem Innenraum zugewandten Seite des Kohlenstofffilzes 4 ist zumindest eine Grafitfolie 5 angebracht. Mit den Bezugszeichen 6 ist eine obere Suszeptorplatte und mit dem Bezugszeichen 10 eine untere Suszeptorplatte bezeichnet, die beispielsweise aus Siliziumkarbid hergestellt sein können. Eine der beiden Suszeptorplatten 6, 10 kann auch durch eine Platte mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise AlN, ersetzt sein. In 1 ist zwischen den Suszeptorplatten 6 und 10 formschlüssig der Grünkörper 7 eingelegt. Der Grünkörper 7 weist beispielsweise Außenabmessungen von 300 mm × 300 mm × 15 mm auf.In 1 and 2 is a microwave source 1 about one with a cutting disc 2 , which may be made of quartz glass, sealed waveguide, for example 2a with a reaction chamber 3 connected. The reaction chamber 3 has an outer shell made of steel, which on its inside with a carbon felt 4 is provided. On the side facing the interior of the carbon felt 4 is at least a graphite foil 5 appropriate. With the reference numerals 6 is an upper susceptor plate and with the reference numeral 10 a lower susceptor plate, which may be made of silicon carbide, for example. One of the two susceptor plates 6 . 10 can also be replaced by a plate with a high thermal conductivity, such as AlN. In 1 is between the susceptor plates 6 and 10 positive fit of the green body 7 inserted. The green body 7 has, for example, external dimensions of 300 mm × 300 mm × 15 mm.

Die aus den Suszeptorplatten 6 und 10 und dem dazwischen eingelegten Grünkörper 7 bestehende Schichtabfolge ist unter Zwischenschaltung einer Isolierplatte 13 auf einen mit Nuten 11 versehenen drehbaren Stempel 12 abgestützt. Die Nuten 11 können beispielsweise in zwei zueinander senkrechten Richtungen im Stempel 12 vorgesehen sein.The from the susceptor plates 6 and 10 and the interposed green body 7 existing layer sequence is with the interposition of an insulating plate 13 on one with grooves 11 provided rotatable stamp 12 supported. The grooves 11 For example, in two mutually perpendicular directions in the stamp 12 be provided.

Mit dem Bezugszeichen 8 ist eine von einer durch die Grafitfolie 5 begrenzten Reaktionskammer 3 wegführende Gasabführleitung bezeichnet, welche zu einer thermischen Gasnachverbrennungseinrichtung 9 führt. Die Reaktionskammer 3 ist mit einer gasdichten Tür 17 verschlossen. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine am Wellenleiter 2a abgebrachte Gaszuführleitung.With the reference number 8th is one of a through the graphite foil 5 limited reaction chamber 3 Leading gas discharge line, which leads to a thermal Gasnachverbrennungseinrichtung 9 leads. The reaction chamber 3 is with a gas-tight door 17 locked. The reference number 14 denotes one on the waveguide 2a discharged gas supply line.

Bei der in 2 gezeigten zweiten Vorrichtung sind zwischen den Suszeptorplatten 6 und 10 und dem Grünkörper 7 jeweils Fasermatten 16 eingelegt, die z. B. aus Al2O3, hergestellt sein können. Auf die obere Suszeptorplatte 6 ist eine weitere Isolierplatte 13 aufgelegt, auf welche ein drehbarer Druckstempel 15 drückt.At the in 2 shown second device are between the susceptor plates 6 and 10 and the green body 7 each fiber mats 16 inserted, the z. B. from Al 2 O 3 , can be made. On the upper susceptor plate 6 is another insulation board 13 placed on which a rotatable plunger 15 suppressed.

Zur Herstellung eines pyrolysierten Grünkörpers wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird ein Grünkörper 7 hergestellt, indem ein kohlenstoffreiches Polymer bzw. Harz mit einem Kohlenstoffgehalt von z. B. mehr als 40 Gew.%, vorzugsweise mehr als 50 Gew.%, mit Kohlenstofffasern gemischt oder ein aus Kohlenstofffasern gebildetes Gewebe, Gewirk, Vlies oder dgl. damit infiltriert wird und nachfolgend einem Formgebungsprozess unterworfen wird. Der Formgebungsprozess kann ein herkömmlicher Formgebungsprozess sein, wie er aus der Kunststofftechnik bekannt ist. Bevorzugt ist eine Formgebung mittels Warmpressen. Falls als Harz Phenolharz verwendet wird, kann das Warmpressen bei einem Druck von 5 bis 25 bar, vorzugsweise 10 bis 20 bar, und einer Temperatur von 150°C bis 250°C, vorzugsweise 160°C bis 200°C, erfolgen. Das Warmpressen kann unter einer Schutzgasatmosphäre, z. B. Stickstoffatmosphäre, für eine Dauer von 1 bis 10 Stunden erfolgen.
To produce a pyrolyzed green body, the procedure is as follows:
First, a green body 7 prepared by a carbon-rich polymer or resin having a carbon content of z. B. more than 40 wt.%, Preferably more than 50 wt.%, Mixed with carbon fibers or a carbon fiber-formed fabric, knitted fabric, nonwoven or the like. Infiltrated with it and is subsequently subjected to a molding process. The molding process may be a conventional molding process, as known in the plastics arts. Preferred is a shaping by means of hot pressing. If phenolic resin is used as the resin, the hot pressing at a pressure of 5 to 25 bar, preferably 10 to 20 bar, and a temperature of 150 ° C to 250 ° C, preferably 160 ° C to 200 ° C, take place. The hot pressing can under a protective gas atmosphere, for. As nitrogen atmosphere, take place for a period of 1 to 10 hours.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der warmgepresste Grünkörper 7 nachfolgend bei einer Temperatur von 200°C bis 300°C für eine Dauer von 1 bis 20 Stunden, vorzugsweise 5 bis 15 Stunden, an Luft getempert. Damit wird weiter der Vernetzungsgrad des Harzes erhöht und Schwindungsrisse erzeugt.According to an advantageous embodiment of the hot-pressed green body 7 subsequently annealed at a temperature of 200 ° C to 300 ° C for a period of 1 to 20 hours, preferably 5 to 15 hours, in air. This further increases the degree of crosslinking of the resin and creates shrinkage cracks.

Der Grünkörper 7 wird dann in die in 1 gezeigte Anordnung gebracht. Mittels gepulster Mikrowellenstrahlung wird der Grünkörper 7 gemäß dem in 3 gezeigten Temperaturprofil aufgeheizt. Während des Aufheizens wird die Reaktions- 3 bzw. Ofenkammer mit Stickstoff mit einer Rate von 20 bis 30 l/Minute gespült.The green body 7 will then be in the in 1 brought shown arrangement. By means of pulsed microwave radiation, the green body 7 according to the in 3 heated temperature profile shown. During heating, the reaction 3 or furnace chamber with nitrogen at a rate of 20 to 30 l / minute rinsed.

Wie aus 3 ersichtlich ist, besteht das Temperaturprofil aus drei Aufheizstufen. Während einer ersten Aufheizstufe wird der Grünkörper 7 mit einer Aufheizrate von 2000°C pro Stunde auf eine Temperatur von etwa 400°C aufgeheizt. Während einer nachfolgenden zweiten Aufheizstufe beträgt die Aufheizrate 1500°C pro Stunde. Die zweite Aufheizstufe reicht bis zu einer Temperatur von etwa 600°C. In einer folgenden dritten Aufheizstufe wird der Grünkörper 7 wiederum mit einer Aufheizrate von etwa 2000°C aufgeheizt, und zwar bis zu einer maximalen Pyrolysetemperatur von 900°C. Der Grünkörper 7 wird bei der maximalen Pyrolysetemperatur etwa 10 Minuten gehalten. Danach wird der pyrolysierte Grünkörper mit einer Abkühlrate von etwa 800°C/Stunde abgekühlt. Der Pyrolysevorgang dauert, wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, insgesamt etwa 90 Minuten.How out 3 it can be seen, the temperature profile consists of three heating stages. During a first heating step, the green body becomes 7 heated at a heating rate of 2000 ° C per hour to a temperature of about 400 ° C. During a subsequent second heating stage, the heating rate is 1500 ° C per hour. The second heating step reaches up to a temperature of about 600 ° C. In a subsequent third heating step of the green body by 7 heated again at a heating rate of about 2000 ° C, up to a maximum pyrolysis temperature of 900 ° C. The green body 7 is held at the maximum pyrolysis temperature for about 10 minutes. Thereafter, the pyrolyzed green body is cooled at a cooling rate of about 800 ° C / hour. The pyrolysis process takes, as from the 3 and 4 can be seen, a total of about 90 minutes.

4 zeigt zusätzlich zum Temperaturprofil, wie es in 3 gezeigt ist, den Verlauf der Mikrowellenleistung über der Zeit. Wie aus 4 ersichtlich ist, wird die Mikrowellenleistung bzw. die Mikrowellen gepulst eingestrahlt. Die Dauer eines Anschaltsintervalls beträgt typischerweise 0,5 bis 5 Minuten. Eine erste Dauer eines ersten Abschaltintervalls beträgt zweckmäßigerweise 10 Sekunden bis 10 Minuten. Zwischen der ersten und der zweiten Aufheizstufe und der zweiten und der dritten Aufheizstufe wird ein zweites Abschaltintervall gewählt, dessen zweite Dauer größer ist als die erste Dauer des ersten Abschaltintervalls innerhalb der jeweiligen Aufheizstufen. Zwischen den Aufheizstufen beträgt die zweite Dauer des zweiten Abschaltintervalls beispielsweise 1 bis 5 Minuten, innerhalb der Aufheizstufen beträgt die erste Dauer des ersten Abschaltintervalls beispielsweise 10 Sekunden bis 1 Minute. 4 shows in addition to the temperature profile, as in 3 shown is the course of microwave power over time. How out 4 is apparent, the microwave power or the microwaves is pulsed irradiated. The duration of a turn-on interval is typically 0.5 to 5 minutes. A first duration of a first switch-off interval is expediently 10 seconds to 10 minutes. Between the first and the second heating stage and the second and the third heating stage, a second switch-off interval is selected whose second duration is greater than the first duration of the first switch-off interval within the respective heating stages. Between the heating stages, the second duration of the second switch-off interval is, for example, 1 to 5 minutes; within the heating stages, the first duration of the first switch-off interval is, for example, 10 seconds to 1 minute.

Wie weiter aus 4 ersichtlich ist, wird die eingestrahlte Mikrowellenleistung von einer Aufheizstufe zur nächstfolgenden Aufheizstufe erhöht. Sie kann auch innerhalb einer Aufheizstufe erhöht werden. Die eingestrahlten Mikrowellen können eine Frequenz im Bereich von 0,3 bis 300 GHz aufweisen. Sie werden sowohl durch den Grünkörper 7 selbst, insbesondere aber durch die Suszeptorplatten 6 und 10, absorbiert.How farther 4 it can be seen, the irradiated microwave power is increased from one heating stage to the next heating stage. It can also be increased within a heating stage. The irradiated microwaves may have a frequency in the range of 0.3 to 300 GHz. They are both through the green body 7 itself, but especially by the Suszeptorplatten 6 and 10 , absorbed.

Insbesondere während der ersten und zweiten Aufheizphase werden im Grünkörper 7 translaminare Risse und Kanäle erzeugt, welche eine Entgasung ermöglichen, ohne dass es zu einer Delamination kommt. Zur Vergleichmäßigung der auf den Grünkörper 7 einwirkenden Temperatur kann dieser mittels des Stempels 12 kontinuierlich gedreht werden.In particular, during the first and second heating phase are in the green body 7 translaminare cracks and channels created which allow degassing, without causing delamination. To even out the on the green body 7 acting temperature can this by means of the punch 12 be continuously rotated.

Insbesondere Grünkörper 7, welche eine größere Neigung zur Delamination haben, können in der in 2 gezeigten Vorrichtung pyrolysiert werden. Durch den mittels des Druckstempels 15 auf die obere Suszeptorplatte 6 aufgebrachten Druck kann der Grünkörper 7 während der Pyrolyse in seiner Formgehalten werden. Die zwischen den Suszeptorplatten 6 und 10 eingelegten Fasermatten 16 tragen zu einer gleichmäßigen Druckeinleitung auf den Grünkörper 7 bei. Punktuelle Kontakte zwischen dem Grünkörper 7 und den Suszeptorplatten 6 und 10 werden vermieden. Die Druckverteilung auf dem Grünkörper 7 ist besonders homogen.In particular green body 7 , which have a greater tendency to delamination, in the in 2 be pyrolyzed device shown. By means of the pressure stamp 15 on the upper susceptor plate 6 Applied pressure can be the green body 7 be kept in its form during pyrolysis. The between the susceptor plates 6 and 10 inlaid fiber mats 16 contribute to a uniform pressure introduction to the green body 7 at. Pointed contacts between the green body 7 and the susceptor plates 6 and 10 are avoided. The pressure distribution on the green body 7 is particularly homogeneous.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Mikrowellenquellemicrowave source
22
Trennscheibecutting wheel
2a2a
Wellenleiterwaveguides
33
Reaktionskammerreaction chamber
44
Kohlenstofffilzcarbon felt
55
Grafitfoliegraphite foil
66
obere Suszeptorplatteupper susceptor
77
Grünkörpergreen body
88th
Gasabführleitunggas discharge line
99
GasnachverbrennungseinrichtungGasnachverbrennungseinrichtung
1010
untere Suszeptorplattelower susceptor
1111
Nutgroove
1212
Stempelstamp
1313
Isolierplatteinsulation
1414
Gaszuführleitunggas supply
1515
Druckstempelplunger
1616
Fasermattefiber mat
1717
Türdoor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 0915070 A2 [0002] - EP 0915070 A2 [0002]
  • - DE 19929666 A1 [0003] - DE 19929666 A1 [0003]
  • - EP 1547992 A1 [0004] EP 1547992 A1 [0004]

Claims (14)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit folgenden Schritten: Herstellung eines Grünkörpers (7) mit einer Matrix aus einem Harz und in der Matrix aufgenommenen Kohlenstofffasern, Einbringen des Grünkörpers (7) in einen Mikrowellenofen (3) und Pyrolysieren des Grünkörpers (7) mittels gepulster Mikrowelleneinwirkung.Method for producing a component from a fiber composite material with the following steps: production of a green body ( 7 ) with a matrix of a resin and carbon fibers accommodated in the matrix, introduction of the green body ( 7 ) in a microwave oven ( 3 ) and pyrolyzing the green body ( 7 ) by means of pulsed microwave action. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Grünkörper (7) mittels Warmpressen bei einer Temperatur von 150 bis 260°C hergestellt wird.Method according to claim 1, wherein the green body ( 7 ) is produced by means of hot pressing at a temperature of 150 to 260 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Harz ein Harz verwendet wird, welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Phenolharz, Pech, PMMA, PU, PAI.Method according to one of the preceding claims, wherein a resin is used as the resin, which consists of the following Group is selected: phenolic resin, pitch, PMMA, PU, PAI. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) mit einer Aufheizrate von 1400°C bis 2200°C pro Stunde aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) is heated at a heating rate of 1400 ° C to 2200 ° C per hour. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) mittels zumindest eines Mikrowellen-absorbierenden Suszeptors (6, 10) aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) by means of at least one microwave-absorbing susceptor ( 6 . 10 ) is heated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Suszeptor (6, 10), vorzugsweise unter Zwischenschaltung einer Zwischenschicht (16), formschlüssig mit dem Grünkörper (7) in Kontakt ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the at least one susceptor ( 6 . 10 ), preferably with the interposition of an intermediate layer ( 16 ), positively with the green body ( 7 ) is in contact. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) während der Mikrowelleneinwirkung, vorzugsweise mittels zumindest eines plattenförmigen Suszeptors (6, 10), gepresst wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) during microwave exposure, preferably by means of at least one plate-shaped susceptor (US Pat. 6 . 10 ), is pressed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) in mehreren eine unterschiedliche Aufheizrate aufweisenden Aufheizstufen aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) is heated in a plurality of a different heating rate having heating stages. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) auf einer maximalen Pyrolysetemperatur für eine Haltezeit von 5 bis 60 Minuten, vorzugsweise 10 bis 20 Minuten, gehalten wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) is maintained at a maximum pyrolysis temperature for a hold time of 5 to 60 minutes, preferably 10 to 20 minutes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) in einer ersten Aufheizstufe mit einer ersten Aufheizrate von etwa 2000°C pro Stunde auf eine Temperatur von 350°C bis 450°C, vorzugsweise etwa 400°C, aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) is heated in a first heating stage at a first heating rate of about 2000 ° C per hour to a temperature of 350 ° C to 450 ° C, preferably about 400 ° C, heated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) in einer der ersten Aufheizstufe folgenden zweiten Aufheizstufe mit einer zweiten Aufheizrate von etwa 1500°C pro Stunde auf eine Temperatur von 550°C bis 650°C, vorzugsweise etwa 600°C, aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) is heated in a second heating step following the first heating stage at a second heating rate of about 1500 ° C per hour to a temperature of 550 ° C to 650 ° C, preferably about 600 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grünkörper (7) in einer der zweiten Aufheizstufe folgenden dritten Aufheizstufe mit einer zweiten Aufheizrate von etwa 2000°C pro Stunde auf eine Temperatur von 850°C bis 1650°C, vorzugsweise etwa 900°C, aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the green body ( 7 ) is heated at a second heating rate of about 2000 ° C per hour to a temperature of 850 ° C to 1650 ° C, preferably about 900 ° C in a second heating step following the third heating stage. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der pyrolysierte Grünkörper (7) mit einer Abkühlrate von zumindest 750°C bis 850°C pro Stunde, vorzugsweise etwa 800°C pro Stunde, abgekühlt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the pyrolyzed green body ( 7 ) is cooled at a cooling rate of at least 750 ° C to 850 ° C per hour, preferably about 800 ° C per hour. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der pyrolysierte Grünkörper bei einer Temperatur im Bereich von 1550°C bis 1750°C unter Vakuum mit Silizium infiltriert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the pyrolyzed green body at a temperature in the range of 1550 ° C to 1750 ° C under vacuum is infiltrated with silicon.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0915070A2 (en) 1997-11-10 1999-05-12 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Method of making carbon fibre reinforced ceramified shaped body and use of such a shaped body
DE19929666A1 (en) 1999-06-25 2001-01-04 Karlsruhe Forschzent Microwave heating of materials in a chamber to produce a three dimensional composite structure uses a decoupler and corrugated mirror to give a uniform electromagnetic field
EP1547992A1 (en) 2003-12-18 2005-06-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Process for producing a fibre reinforced composite material and the fibre reinforced composite material

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