DE102015205595B3 - Verfahren zur Herstellung keramischer Faserverbundwerkstoffe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs, bei dem Fasern aus einem keramischen Werkstoff mit einer Suspension, in der mindestens ein pulverförmiger keramischer Werkstoff enthalten ist, infiltriert und/oder beschichtet werden. Anschließend wird bei einer Wärmebehandlung eine Trocknung durchgeführt. Im Anschluss daran erfolgt mit einem auf die Oberfläche der Fasern, an der keramische Partikel anhaften, gerichteten Laserstrahl ein Energieeintrag, der zum Aufschmelzen der keramischen Partikel führt. Nach einer Abkühlung wird der keramische Faserverbundwerkstoff erhalten.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung keramischer Faserverbundwerkstoffe (CMC).
- Bei der Herstellung keramischer Faserverbundwerkstoffe ist der Aufbau der keramischen Matrix zwischen dem in der Regel beschichteten Fasermaterial (Kurz-, Langfasern oder Gewebe) ein wichtiger Aspekt. Dabei werden eine hohe reproduzierbare Festigkeit sowie eine dichte Matrix mit wenigen Defekten (Poren, Schrumpfungsrisse) angestrebt.
- Für den Aufbau der Matrix haben sich verschiedene Verfahren ausgehend vom Labormaßstab bis hin zur Kleinserienfertigung etabliert.
- Der Aufbau dichter Werkstoffe mit exzellenter Homogenität kann über die Abscheidung einer Matrix aus der Gasphase (CVI: Chemical Vapour Infiltration) erreicht werden, die auch gradierte Matrixzusammensetzungen erlaubt. Für die Abscheidung von SiC hat sich beispielsweise Methyltrichlorosilan (MTS, CH3SiCl3) bewährt. Den guten mechanischen Eigenschaften steht die niedrige Abscheiderate, die die mögliche Bauteilgröße limitiert und hohe Gesamtkosten verursacht, jedoch entgegen.
- Eine Herstellung ist auch über LPI (Liquid Polymer Infiltration) oder auch PIP (Precursor Infiltration and Pyrolysis) möglich. Dabei werden präkeramische Polymere (z.B. Polysilane, Polycarbosilane, Polysilazane, Polycarbosilazane, etc.) mit den Fasern über klassische Verfahren der Kunststofftechnik, wie Spritzgießen, Harzinjektionsverfahren (RTM: Resin Transver Moulding) oder Warmpressen in die gewünschte Form gebracht. Über eine Pyrolyse, d.h. inerte Wärmebehandlung werden die präkeramischen Polymere in eine amorphe anorganische Zwischenstufe überführt. Dieser Prozess geht mit einem Masseverlust von 25 bis 50 % einher, wodurch eine charakteristische Porenstruktur entsteht. Außerdem wird durch die Behinderung der Matrixschrumpfung durch die Fasern ein Rissnetzwerk ausgebildet. Diese defektreiche Mikrostruktur kann über mehrfaches Infiltrieren und Pyrolisieren, sowie das Einbringen aktiver Füllstoffe verbessert werden. Durch eine weitere Erhöhung der Prozesstemperatur nach vollständiger Pyrolyse kristallisiert die amorphe Matrix. Zusammenfassend stehen den gestalterischen Freiheiten durch vielfältige Formgebungsverfahren aus der Kunststofftechnik kostentreibende mehrfache Infiltrations- und Pyrolyseschritte zum Aufbau hinreichend dichter Matrices entgegen.
- Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die Schmelzinfiltration (MIP: Melt Infiltration Process), z.B. mit flüssigem Silicium (LSI: Liquid Silicon Infiltration). Dabei werden in einer ersten Prozessstufe Fasern mit einem Kohlenstofflieferanten, wie z.B. Phenolharz in Form gebracht. Nach der Pyrolyse erfolgt die Infiltration mit flüssigem Silicium bei Temperaturen im Bereich von 1450 °C–1600 °C. Ein Großteil des Glaskohlenstoffs reagiert dabei unter Volumenzunahme mit der Si-Schmelze zu SiC. Ein Überschuss an Silicium in der Matrix, das bei T > 1000 °C erweicht und ab 1410 °C als Flüssigphase vorliegt, verursacht einen Abfall der mechanischen Eigenschaften bei Hochtemperatureinsatz. Außerdem ist eine teilweise Schädigung des Fasermaterials während der Infiltration beim Kontakt mit flüssigem Silicium zu verzeichnen. Nachteile dieses Verfahrens stellen die begrenzten Möglichkeiten bei der geometrischen Gestaltung der so hergestellten Bauteile aus keramischem Kompositwerkstoff, sowie die Beschränkung der Matrixzusammensetzung (SiC ggf. mit Füllstoffen) und einem Rest an nicht umgewandeltem Silicium dar.
- Ein weiteres bisher eingesetztes Herstellungsverfahren für keramische Faserverbundwerkstoffe ist die Schlickerinfiltration (SI: Slurry Infiltration). Das Ablegen infiltrierter Rovings (Faserbündel) auf rotationssymmetrischen Kernen erlaubt die Herstellung von Rohren bzw. durch Auftrennen auch Platten mit verschiedenen Wickelmustern/Faserorientierungen. Für Prototypen und komplexe Geometrien wurden infiltrierte Gewebe auch manuell laminiert. Nach der Sinterung weisen die Bauteile eine erhöhte Matrixporosität auf. Diese Herstellungsmöglichkeit hat sich für oxidische CMC mit inhärenter Oxidationsstabilität bewährt. Die vergleichsweise niedrige Matrixfestigkeit kann durch eine belastungsgerechte Faserorientierung und geeigneten Faservolumengehalt ausgeglichen werden. Eine Faserbeschichtung zur Begrenzung der Faser-Matrix-Anbindung, um energiedissipative Prozesse zu ermöglichen, ist aufgrund der porösen Matrix nicht erforderlich. Den genannten Verfahrensvorteilen stehen eine erhöhte Kriechneigung der für oxidische CMC eingesetzten Al2O3-Fasern bei Langzeitanwendungen oberhalb Temperaturen von 1100 °C, mittlere Festigkeiten, sowie die hohe innere Oberfläche, die korrosiven Angriffen ausgesetzt sein kann, entgegen.
- In Hinblick auf Laserbehandlung keramischer Werkstoffe sind Möglichkeiten zum Laserschneiden keramischer Sinterkörper (LBM Laser Beam Machining) oder eine Oberflächenmodifizierung mit Zufuhr von Energie mit Laserstrahlung, wie z.B. die Verdichtung poröser plasmagespritzter Schutzschichten bekannt. Durch Erhöhung der Laserenergie und Pulsen im Mikrosekundenbereich können filigrane Bohrungen hoher Oberflächengüte oder komplexe Geometrien, wie z.B. Schlitze, Nuten bis hin zu Gewinden gefertigt werden.
- Lasertechnologien werden auch zum Fügen eingesetzt. Dabei wird das in die Fügezone in Form von Folien oder Pulvern eingebrachte Lotmaterial erwärmt ggf. bis es lokal zur Anschmelzung kommt. Alternativ wird auch mit gasförmigen Precursoren gearbeitet, sodass sich im Bereich des Energieeintrags ein festes Reaktionsprodukt abscheidet. In
US 5 503 703 A wird das Löten von keramischen Materialien unter Zuhilfenahme eines entsprechenden Lotes beschrieben. - Für keramische Faserverbundwerkstoffe ist es auch bekannt, dass Kreisringe eines SiCF/SiCNM-Werkstoffs durch laserinduziertes Anschmelzen des pulverförmigen Y2O3-Al2O3-SiO2 Lotes gefügt werden können.
-
US 2002/168505 A1 -
US 2007/075455 A1 - Es sind jedoch keine Verfahren zur direkten Herstellung von keramischen Faserverbundwerkstoffen unter Einsatz von Laserstrahlung, die in Ansätzen die zum Aufbau eines keramischen Faserverbundwerkstoffes mit Langfasern geeignet sind, bekannt.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine vereinfachte mit geringeren Kosten verbundene und in kürzerer Zeit erreichbare Herstellbarkeit keramischer Faserverbundwerkstoffe anzugeben. Dabei soll keine durch eine Ofentechnik vorgegebene Größenlimitierung auftreten und es sollen möglichst keine globalen Eigenspannungen im Werkstoff auftreten. Außerdem sollten funktionale Elemente, wie insbesondere Sensoren oder Befestigungselemente integriert werden können.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs wird so vorgegangen, dass Fasern aus einem keramischen Werkstoff mit einer Suspension, in der mindestens ein pulverförmiger keramischer Werkstoff enthalten ist, infiltriert beziehungsweise beschichtet werden. Anschließend erfolgt bei einer weiteren Wärmebehandlung eine Trocknung. Im Anschluss daran erfolgt mit einem auf die Oberfläche der beschichteten Fasern gerichteten Laserstrahl ein Energieeintrag, der zum Aufschmelzen der keramischen Pulverpartikel führt. Nach einer Abkühlung wird der keramische Faserverbundwerkstoff erhalten.
- Es können Fasern aus SiC, Al2O3, Kohlenstoff oder YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) eingesetzt werden. Die eingesetzten keramischen Fasern sollten einen Außendurchmesser im Bereich 3 µm bis 20 µm aufweisen. Mehrere gleichzeitig mit dem Verfahren behandelte Fasern sollten formschlüssig miteinander verbunden sein, was mit einem Gewebe, Gewirk, Geflecht oder einem Gelege möglich ist.
- In der Suspension sollten neben der Flüssigkeit pulverförmige keramische Materialien in Form von Oxiden, Nitriden, Carbiden, Siliziden oder Boriden, insbesondere SiO2, Al2O3, MgO, SiC, Y2O3 und/oder andere Oxide der Metalle der seltenen Erden (z.B.Sc, ..., Lu) enthalten sein. Als Flüssigkeit sollte bevorzugt Wasser enthalten sein. Die in der Suspension eingesetzten Pulver sollten einen mittleren Partikeldurchmesser im Bereich 10 nm bis 5 µm aufweisen.
- Die Beschichtung der Fasern beziehungsweise die Infiltration von Faserbündeln/-gebilden mit der Suspension kann durch Tauchen, oder Walzen erfolgen.
- Die Wärmebehandlung zum Trocknen sollte mit einer Mindesttemperatur von 150 °C, bevorzugt 200 °C durchgeführt werden, um eine Verkürzung der erforderlichen Zeit zu erreichen.
- Vor der Infiltration und/oder Beschichtung der Fasern können mit einer weiteren Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 500 °C oder mit einer chemischen Behandlung Schlichten oder Verunreinigungen an den Fasern entfernt werden.
- Vorteilhaft sollte ein in der Suspension enthaltener pulverförmiger Werkstoff der Matrixwerkstoff des keramischen Faserverbundwerkstoffs sein, der eine größere Absorption als der Faserwerkstoff aufweist, so dass ein Schmelzen des Faserwerkstoffs zumindest weitestgehend vermieden werden kann.
- Die Bestrahlung mit dem Laserstrahl sollte so durchgeführt werden, dass ausschließlich ein Schmelzen von Beschichtungswerkstoff und kein Schmelzen von Faserwerkstoff erreicht wird.
- Die Wellenlänge des eingesetzten Laserstrahls sollte so gewählt werden, dass die Absorption durch die Fasern möglichst niedrig und die Absorption durch das/die keramischen Pulver möglichst hoch ist. Sollte die Absorption des Pulvers zu gering sein, ist der Einsatz von Additiven zur Steigerung der Absorption vorteilhaft. Dies kann beispielsweise SiC sein. Es sollte Laserstrahlung einer Wellenlänge größer 1 µm, bevorzugt im Bereich 5 µm bis 11 µm eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sollte Laserstrahlung einer Wellenlänge im Bereich von 10 µm eingesetzt werden, da die Absorption keramischer Werkstoffe mit zunehmender Wellenlänge steigt.
- Die mit der aus dem Pulver gebildeten Beschichtung versehenen Fasergebilde (Rovings) können durch Wickeln oder via Roboter abgelegt oder gehandhabt werden, bevor sie mit der Laserstrahlung beaufschlagt werden. Die Behandlung mit der Laserstrahlung und/oder die Vorschubbewegung kann/können kontinuierlich durchgeführt werden.
- Es ist auch eine additive Formgebung durch mehrfaches Übereinanderlegen solcher Fasergebilde/Rovings möglich.
- Für die Herstellung kann bei der Erfindung eine Kostenreduktion durch Verzicht auf aufwändige und kostenintensive Ofentechnik und eine mehrfache Behandlung zur Minderung der Porosität erreicht werden. Die Flexibilität, was die Gestalt und Größe herstellbarer Bauteile betrifft, kann mit der Erfindung erhöht werden. Es besteht die Möglichkeit der Implementierung funktionaler Elemente durch den mit dem Laserstrahl lokal definierten Energieeintrag und die so erreichbare lokal definierte Erwärmung. Sensoren, Befestigungs- und Halteelemente können eingearbeitet werden, ohne hohen Ofentemperaturen ausgesetzt zu sein. Dadurch kann ggf. auf nachträgliche Implementierungen verzichtet werden. Es ist auch eine drastische Minderung globaler Eigenspannungen durch lokalen Abbau während Erstarrung erreichbar.
- Die Erfindung kann für die Herstellung von Bauteilen von Gasturbinen (Luftfahrt, Energie) aber auch im Ofenbau und für Brennertechnik genutzt werden.
- Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
- Dabei zeigt:
-
1 in schematischer Form das erfindungsgemäße Vorgehen bei der Herstellung keramischer Faserverbundwerkstoffe. - Beispiel 1
- Für die Herstellung von Rohrkörpern, die mit SiC-Fasern und einer Y2Si2O7-Matrix gebildet sind, wurde ein Faserroving (miteinander durch Formschluss verbundene Fasern) aus Siliziumcarbid-Fasern (Durchmesser der einzelnen Fasern im Bereich 6 µ bis 10 µm) von einer Spule
1 abgewickelt und in einem Rohrofen2 bei einer Temperatur von 800 °C thermisch entschlichtet. Nach der Entschlichtung wurde das Faserroving mittels Umlenkrollen durch eine wässrige Suspension3 geführt und damit beschichtet. Die wässrige Suspension war mit Y2O3-Pulver und SiO2-Pulver im Molverhältnis 1:2 gebildet und wurde durch Mahlung in einer Kugelmühle über einen Zeitraum von 4 Stunden hergestellt. Der Feststoffanteil in der Suspension lag im Bereich von 20 % bis 60 %. Nach der Beschichtung der Fasern erfolgte eine Trocknung in einem weiteren Rohrofen4 bei 200 °C. Das pulverbeschichtete und getrocknete Faserbündel wurde durch einen NC-gesteuerten Ablegearm5 auf einen rotierenden Dorn6 definiert abgelegt. Ein von einer CO2-Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl7 mit einer Wellenlänge von 10,6 µm wurde unter Schutzgasatmosphäre auf das abgelegte Faserbündel fokussiert. Die lokale Erwärmung bewirkte ein Aufschmelzen der Pulvermatrix, mit der die Fasern benetzt waren. Nach Austritt aus dem Laserfokus setzte die Erstarrung in kurzer Zeit ein, wodurch das Bauteil und der Faserverbundwerkstoff konsolidiert worden ist. - Beispiel 2:
- Für die Herstellung von Rohrkörpern, die mit Al2O3-Fasern und einer Cordierit-Matrix gebildet sind, wurde ein Faserroving aus Al2O3-Fasern (Faserdurchmesser ca. 10 µm) von einer Spule
1 abgewickelt und in einem Rohrofen2 bei einer Temperatur von 800 °C thermisch entschlichtet. Nach der Entschlichtung wurde das Faserroving mittels Umlenkrollen durch eine wässrige Pulversuspension3 geführt und dabei beschichtet. Die wässrige Pulversuspension war mit Al2O3, SiO2 und MgO im Masseverhältnis 1:3:1, sowie SiC mit einem Gesamtvolumenanteil von 10 Vol.-% gebildet. Die Feststoffe der Suspension wurden durch Mahlung in einer Kugelmühle über einen Zeitraum von 4 Stunden hergestellt. Nach der Beschichtung erfolgte eine Trocknung in einem weiteren Rohrofen4 bei 200°C. Das pulverbeschichtete und getrocknete Faserbündel wurde durch einen NC-gesteuerten Ablegearm5 auf einen rotierenden Dorn6 definiert abgelegt. Ein Laserstrahl7 wurde unter Schutzgasatmosphäre auf das abgelegte Faserbündel fokussiert. Aufgrund der in kurzer Zeit einsetzenden Degradation der Al2O3-Fasern bei Überhitzung wurde ein Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 µm als Laserstrahlquelle eingesetzt. Die niedrige Absorption dieser Laserstrahlung von Al2O3 mit ca. 3 % der eingesetzten Laserenergie, bei der entsprechenden Wellenlänge bewirkte eine moderate Temperaturerhöhung in den Fasern. Ein Aufschmelzen der Matrix, bei dem ebenfalls eine niedrige Absorption der eingesetzten Laserstrahlung vorteilhaft ist, wurde durch die in der Beschichtung fein verteilten SiC-Partikel erreicht. Die hohe Absorption des SiC von ca. 78 % für die eingesetzte Laserstrahlung bewirkt eine lokale Erwärmung an den SiC-Partikeln, die weiterhin zu einer weiteren Erwärmung der umliegenden Pulverpartikel durch thermische Leitung führte. - Die aufschmelzende Matrix benetzte die Fasern. Nach Austritt aus dem Laserfokus setzte die Erstarrung in kurzer Zeit ein, wodurch das aus dem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellte Bauteil konsolidiert werden konnte.
Claims (8)
- Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs, bei dem Fasern aus einem keramischen Werkstoff mit einer Suspension, in der mindestens ein pulverförmiger keramischer Werkstoff enthalten ist, infiltriert und/oder beschichtet werden und anschließend bei einer Wärmebehandlung eine Trocknung durchgeführt wird und im Anschluss daran mit einem auf die Oberfläche der Fasern, an der keramische Partikel anhaften, gerichteten Laserstrahl (
7 ) ein Energieeintrag erfolgt, der zum Aufschmelzen der keramischen Partikel führt, wobei nach einer Abkühlung der keramische Faserverbundwerkstoff erhalten wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern aus SiC, Al2O3, Kohlenstoff oder YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) eingesetzt werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension eingesetzt wird, in der neben einer Flüssigkeit, bevorzugt Wasser, mindestens ein pulverförmiges Oxid, Nitrid, Carbid, Silizid oder Borid, insbesondere SiO2 mit Y2O3, Al2O3, MgO, SiC, und/oder Oxide der Metalle der seltenen Erden enthalten ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass keramische Fasern mit einem Außendurchmesser im Bereich 3 µm bis 20 µm und/oder mehrere formschlüssig miteinander verbundene keramische Fasern eingesetzt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 500 °C oder eine chemische Behandlung zum Entfernen von Schlichten oder Verunreinigungen an den Fasern vor dem Infiltrieren und/oder Beschichten durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Fasern ein Gewirk, ein Gewebe, ein Geflecht oder eine Gelege bilden, bevor die Beschichtung und Bestrahlung durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Laserstrahlung einer Wellenlänge größer 1 µm, bevorzugt im Bereich 4 µm bis 11 µm eingesetzt wird, um eine möglichst hohe Absorption der keramischen Pulverteilchen zu gewährleisten.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl (
7 ) ausschließlich ein Schmelzen von um die Fasern angeordneten keramischen Partikeln und kein Schmelzen von Faserwerkstoff erreicht wird.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019220033A1 (fr) * | 2018-05-15 | 2019-11-21 | Safran Ceramics | Procede et dispositif pour deposer un revetement sur une fibre continue |
DE102021203254A1 (de) | 2021-03-31 | 2022-10-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Verfahren zur fluiddichten Versiegelung von Oberflächen von Bauteilen, die aus einem keramischen Faserverbundmaterial, bei dem keramische Fasern oder Fasern aus Kohlenstoff in einer aus keramischem Material gebildeten Matrix durch Versinterung eingebettet sind, gebildet sind |
EP4046978A4 (de) * | 2019-10-17 | 2023-11-08 | IHI Corporation | Keramikmatrix-verbundstoff und herstellungsverfahren dafür |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020168505A1 (en) * | 2001-05-10 | 2002-11-14 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Ceramic matrix composite having improved interlaminar strength |
US20070075455A1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-05 | Siemens Power Generation, Inc. | Method of sealing a free edge of a composite material |
-
2015
- 2015-03-27 DE DE102015205595.7A patent/DE102015205595B3/de active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20020168505A1 (en) * | 2001-05-10 | 2002-11-14 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Ceramic matrix composite having improved interlaminar strength |
US20070075455A1 (en) * | 2005-10-04 | 2007-04-05 | Siemens Power Generation, Inc. | Method of sealing a free edge of a composite material |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019220033A1 (fr) * | 2018-05-15 | 2019-11-21 | Safran Ceramics | Procede et dispositif pour deposer un revetement sur une fibre continue |
FR3081171A1 (fr) * | 2018-05-15 | 2019-11-22 | Safran Ceramics | Procede et dispositif pour deposer un revetement sur une fibre continue |
CN112154223A (zh) * | 2018-05-15 | 2020-12-29 | 赛峰航空陶瓷技术公司 | 在连续纤维上沉积涂层的方法和装置 |
US11390986B2 (en) | 2018-05-15 | 2022-07-19 | Safran Ceramics | Method and device for depositing a coating on an endless fiber |
EP4046978A4 (de) * | 2019-10-17 | 2023-11-08 | IHI Corporation | Keramikmatrix-verbundstoff und herstellungsverfahren dafür |
DE102021203254A1 (de) | 2021-03-31 | 2022-10-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Verfahren zur fluiddichten Versiegelung von Oberflächen von Bauteilen, die aus einem keramischen Faserverbundmaterial, bei dem keramische Fasern oder Fasern aus Kohlenstoff in einer aus keramischem Material gebildeten Matrix durch Versinterung eingebettet sind, gebildet sind |
DE102021203254B4 (de) | 2021-03-31 | 2023-01-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Verfahren zur fluiddichten Versiegelung von Oberflächen von Bauteilen, die aus einem keramischen Faserverbundmaterial, bei dem keramische Fasern oder Fasern aus Kohlenstoff in einer aus keramischem Material gebildeten Matrix durch Versinterung eingebettet sind, gebildet sind |
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