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
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
Die
Die
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
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:
In
Die
aus den Suszeptorplatten
Mit
dem Bezugszeichen
Bei
der in
Zur
Herstellung eines pyrolysierten Grünkörpers wird
wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird ein Grünkörper
First, a
Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der warmgepresste Grünkörper
Der
Grünkörper
Wie
aus
Wie
weiter aus
Insbesondere
während der ersten und zweiten Aufheizphase werden im Grünkörper
Insbesondere
Grünkörper
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
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- - EP 1547992 A1 [0004] EP 1547992 A1 [0004]
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DE102009015286.5 | 2009-04-01 | ||
DE102010003212A DE102010003212A1 (en) | 2009-04-01 | 2010-03-24 | 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 |
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2010
- 2010-03-24 DE DE102010003212A patent/DE102010003212A1/en not_active Ceased
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