DE102016119979A1

DE102016119979A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid, oder auf Basis von Siliziumcarbid

Info

Publication number: DE102016119979A1
Application number: DE102016119979.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Mainzer; Bernhard Heidenreich; Dietmar Koch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-10-20
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2018-04-26
Also published as: FR3057863B1; FR3057863A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid (C/C-SiC), bei dem ein C/C-Vorkörper, der eine Kohlenstoffmatrix mit darin eingebetteten Kohlenstofffasern umfasst, mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um den Kohlenstoff teilweise zu Siliziumcarbid umzusetzen. Das für die Infiltration eingesetzte Silizium enthält einen Anteil von 3 bis 15 mol-% Bor. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Siliziumcarbid (SiC/SiC), bei dem ein SiC/C-Vorkörper, der eine Kohlenstoffmatrix mit darin eingebetteten Siliziumcarbidfasern umfasst, mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um den Kohlenstoff mindestens teilweise zu Siliziumcarbid umzusetzen, wobei das für die Infiltration eingesetzte Silizium einen Anteil von 3 bis 15 mol-% Bor enthält. Die Erfindung betrifft ferner keramische Faserverbundwerkstoffe, die gemäß diesem Verfahren hergestellt sind, sowie daraus hergestellte Bauteile.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid (C/C-SiC), bei dem ein C/C-Vorkörper, der eine Kohlenstoffmatrix mit darin eingebetteten Kohlenstofffasern umfasst, mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um den Kohlenstoff der Matrix mindestens teilweise zu Siliziumcarbid umzusetzen.
Die Erfindung betrifft ferner einen keramischen Verbundwerkstoff auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid, der gemäß einem solchen Verfahren hergestellt ist, sowie ein Bauteil aus einem solchen keramischen Faserverbundwerkstoff.
Keramische Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich generell durch hervorragende mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Steifigkeit und Bruchzähigkeit aus. Insbesondere bleibt die Strukturfestigkeit dieser Materialien auch bei hohen Temperaturen (z.B. über 1.000 °C) erhalten, so dass sie zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt werden können, die gleichzeitig hohen mechanischen und thermischen Belastungen standhalten müssen (z.B. Bremsscheiben für Kraftfahrzeuge, Züge und Flugzeuge). Ein weiterer Vorteil ist die im Vergleich zu Metallen deutlich geringere Dichte.
Bei C/C-SiC-Werkstoffen ergeben sich im Vergleich zu C/C-Werkstoffen auf reiner Kohlenstoffbasis als weitere Vorteile eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit sowie ein geringerer Verschleiß durch Abrieb, jeweils bedingt durch die Anteile an Siliziumcarbid und nicht umgesetztem Silizium. Die Umsetzung von Kohlenstoff und Silizium zu Siliziumcarbid während der Flüssigphaseninfiltration (LSI-Verfahren) ist jedoch, soweit hiervon die Kohlenstofffasern betroffen sind, auch mit Nachteilen verbunden. Eine Umsetzung des in den Fasern enthaltenen Kohlenstoffs zu SiC beeinträchtigt deren lasttragende Eigenschaften und führt somit zu einer tendenziellen Verschlechterung der mechanischen Belastbarkeit des Werkstoffs.
Mit den bisher bekannten Herstellungsverfahren ist es nicht möglich, die Bildung von SiC bei der Infiltration des C/C-Vorkörpers mit flüssigem Silizium auf die Kohlenstoffmatrix zu beschränken. Typischerweise kommt es zu einer Umsetzung von etwa 10 bis 50% der Kohlenstofffasern zu SiC an der Oberfläche der Faserbündel. Besonders kritisch ist dies bei einer geringen Anzahl an Kohlenstofffasern pro Faserbündel, d.h. bei dünnen oder flachen Bündeln, da hier der Konvertierungsgrad aufgrund des hohen Oberflächen/Volumenverhältnisses der Faserbündel entsprechend höher ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines C/C-SiC-Werkstoffs vorzuschlagen, bei dem die Umsetzung der Kohlenstofffasern zu Siliziumcarbid reduziert ist.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das für die Infiltration eingesetzte Silizium einen Anteil von 3 bis 15 mol-% Bor enthält.
Der von den Erfindern festgestellte Effekt, das die Faserkonvertierung zu SiC bei der Flüssigphaseninfiltration mit einer Mischung aus Silizium und Bor gegenüber der Verwendung von reinem Silizium teilweise deutlich reduziert werden kann, lässt sich auf zwei verschiedene Effekte zurückführen. Zum einen kann die Infiltration bei einer niedrigeren Temperatur, nämlich unterhalb des Schmelzpunktes von Silizium (1.410 °C), durchgeführt werden, da der Anteil an Bor von 3 bis 15 mol-% zu einer Schmelzpunkterniedrigung führt. Bei niedrigeren Temperaturen ist die Reaktivität des Siliziums gegenüber dem Kohlenstoff verringert. Andererseits führt die Anwesenheit von Bor an sich schon zu einer solchen Verminderung der Reaktivität, zumal gemäß der Erfindung auch bei gleichbleibender Infiltrationstemperatur gegenüber reinem Silizium ein gewisser Effekt erreicht wird.
Der Anteil an Bor in dem für die Infiltration eingesetzten Silizium liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 12 mol-%, weiter bevorzugt im Bereich von 7 bis 9 mol-%. Da das Eutektikum des Systems Si/B bei einem Bor-Anteil von etwa 8 mol-% mit einem Schmelzpunkt von 1.385 °C liegt, lässt sich mit einem solchen Mischungsverhältnis die Temperatur bei der Infiltration am weitesten reduzieren.
Günstigerweise wird der C/C-Vorkörper mit einer binären Mischung aus Silizium und Bor infiltriert, d.h. außer diesen beiden Elementen enthält die Mischung keine weiteren Bestandteile.
Die Infiltration wird bevorzugt bei einer Maximaltemperatur durchgeführt, die unter 1.410 °C liegt. Die Infiltration mit reinem Silizium gemäß dem Stand der Technik erfolgt demgegenüber in der Regel bei mindestens 1.420 °C, d.h. 10 K über dem Schmelzpunkt von Silizium, häufig aber auch bei wesentlich höheren Temperaturen von über 1.600 °C. Die Maximaltemperatur ist dabei diejenige Temperatur, die nach einer Aufheizphase maximal erreicht wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Maximaltemperatur bei der Infiltration im Bereich von 1.385 bis 1.400 °C. Dieser Temperaturbereich liegt deutlich unterhalb des Schmelzpunktes von Silizium und ist daher bei der Infiltration mit reinem Silizium nicht realisierbar.
Typischerweise wird die Infiltration während eines Zeitraums von 10 bis 25 Stunden durchgeführt, wobei dieser Zeitraum eine Aufheizperiode, eine Halteperiode bei einer Maximaltemperatur und eine Abkühlperiode umfasst.
Die Halteperiode beträgt vorzugsweise zwischen 0 und 1 Stunde, d.h. die Abkühlperiode kann sich im Wesentlichen unmittelbar an die Aufheizperiode anschließen. Relativ kurze Halteperioden sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, um die Umsetzung der Kohlenstofffasern zu SiC weiter zu minimieren.
Die Aufheizrate liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 150 K/h, während die Abkühlrate vorzugsweise im Bereich von 200 bis 500 K/h liegt. Diese Werte können vom Fachmann wie bei der Infiltration mit reinem Silizium optimiert werden, sie sind u.a. auch von der Größe des herzustellenden Bauteils abhängig.
Der C/C-Vorkörper wird günstigerweise durch Pyrolyse eines faserverstärkten Kunststoffmaterials hergestellt, der eine Matrix aus einem duroplastischen Harz mit darin eingebetteten Kohlenstofffasern umfasst. Diese Vorgehensweise ist aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Pyrolyse erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 900 bis 1.600 °C im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre. Insbesondere kann eine Spülung mit dem Inertgas (z.B. Stickstoff oder Argon) erfolgen, um die bei der Pyrolyse gebildeten Abbauprodukte zu entfernen.
Das duroplastische Harz ist bevorzugt ausgewählt aus Phenolharzen, Epoxidharzen und Acrylharzen, wobei Phenolharze besonders bevorzugt sind. Zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffmaterials werden die Kohlenstofffasern mit dem Harz bzw. der Harzvorstufe imprägniert und anschließend das Harz thermisch gehärtet.
Der Anteil an Kohlenstofffasern in dem faserverstärkten Kunststoffmaterial liegt vorzugsweise im Bereich von 45 bis 70 Vol.%, insbesondere im Bereich von 50 bis 65 Vol.%. Die Einzelfasern, die typischerweise eine Dicke von 5 bis 10 µm aufweisen, liegen dabei in Bündeln (sogenannte „Rovings“) vor, die in der Regel jeweils 1.000 bis 24.000 Fasern umfassen. Die Faserbündel werden typischerweise in Form eines Geleges (z.B. eines Multiaxialgeleges), eines Gewebes, eines Geflechts oder eines Gestricks angeordnet. Alternativ können auch Kurzfasern eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen keramischen Faserverbundwerkstoff auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid (C/C-SiC), der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs wurden bereits anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Durch den geringeren Umsetzungsgrad der Kohlenstofffasern zu SiC, der bei der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann, ist auch der Anteil an nicht umgesetztem Silizium gegenüber dem Stand der Technik (d.h. Infiltration mit reinem Silizium) erhöht. Dieser Anteil liegt bei dem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff günstigerweise bei über 5 Gew.%, bevorzugt im Bereich von 10 bis 15 Gew.%.
Der geringere Umsetzungsgrad der Kohlenstofffasern führt in der Regel auch zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Faserverbundwerkstoffs, da die Wärmeleitfähigkeit der Fasern z.T. sehr hoch ist.
Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff weist bevorzugt eine Dichte von unter 1,9 g/cm³ auf, bevorzugt von unter 1,8 g/cm³. Die geringere Dichte im Vergleich zu C/C-SiC-Werkstoffen gemäß dem Stand der Technik (in der Regel über 1,9 g/cm³) stellt für viele Anwendungen des Faserverbundwerkstoffs einen weiteren Vorteil dar.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Bauteil aus dem erfindungsgemäßen keramischen Faserverbundwerkstoff. Die jeweilige geometrische Form des Bauteils kann durch mechanische Bearbeitungsverfahren erzeugt werden, wobei die Formgebung sowohl vor der Infiltration mit Silizium, d.h. auf der Stufe des C/C-Vorkörpers, als auch nach der Infiltration, d.h. auf der Stufe des hergestellten C/C-SiC-Werkstoffs, erfolgen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bauteil eine Bremsscheibe oder ein Reibbelag, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, einen Zug oder ein Flugzeug.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft Bauteile als Konstruktionselemente für Luft- und Raumfahrzeuge, insbesondere für Satelliten (z.B. Gehäusestrukturen, Antennen, Spiegelträger). Mit besonderem Vorteil können aus dem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoff auch sehr dünnwandige Konstruktionselemente hergestellt werden, da der C/C-SiC-Werkstoff aufgrund der geringen Faserkonvertierung hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde des Weiteren festgestellt, dass die Infiltration mit einer Mischung aus Silizium und Bor auch bei der Herstellung von SiC/SiC-Werkstoffen vorteilhaft ist, d.h. wenn anstelle von Kohlenstofffasern Siliziumcarbidfasern eingesetzt werden.
Dementsprechend betrifft ein weiterer Aspekt der die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Siliziumcarbid (SiC/SiC), bei dem ein SiC/C-Vorkörper, der eine Kohlenstoffmatrix mit darin eingebetteten Siliziumcarbidfasern umfasst, mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um den Kohlenstoff mindestens teilweise zu Siliziumcarbid umzusetzen, wobei das für die Infiltration eingesetzte Silizium einen Anteil von 3 bis 15 mol-% Bor enthält.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens betreffend den Anteil an Bor, die Temperatur und Zeitdauer der Infiltration sowie die Herstellung des Vorkörpers mittels Harzimprägnierung der SiC-Fasern und Pyrolyse gelten entsprechend auch für die erfindungsgemäße Herstellung des SiC/SiC-Werkstoffs.
Im Unterschied zu dem oben beschriebenen C/C-SiC-Werkstoff ist es in diesem Fall jedoch bevorzugt, wenn der Kohlenstoff des SiC/C-Vorkörpers im Wesentlichen vollständig zu Siliziumcarbid umgesetzt wird. Somit wird ein keramischer Faserverbundwerkstoff erhalten, der keinen oder nur einen sehr geringen Anteil an Kohlenstoff enthält und damit eine sehr hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Allerdings werden auch die SiC-Fasern in ihrer Struktur und damit in ihrer Belastungsfähigkeit beeinträchtigt, wenn gemäß dem Stand der Technik eine Infiltration eines SiC/C-Vorkörpers mit reinem Silizium durchgeführt wird. Dabei kommt es quasi zu einer Auflösung von SiC-Kristalliten in den Fasern durch das flüssige Silizium, so dass letztlich Teile des SiC in den Fasern durch Silizium ersetzt werden und das herausgelöste SiC mit dem in der Matrix neu gebildeten SiC kristallisiert. Dies entspricht im Wesentlichen dem bekannten Prozess der Ostwald-Reifung.
Überraschenderweise tritt dieser Effekt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch nicht mehr auf, da die Reaktivität der Mischung aus Silizium und Bor gegenüber den SiC-Fasern offenbar deutlich reduziert ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen keramischen Faserverbundwerkstoff auf Basis von Siliziumcarbid (SiC/SiC), der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie daraus hergestellte Bauteile. Aufgrund der weitgehend intakten SiC-Fasern in dem erfindungsgemäßen Werkstoff sind dessen mechanische Eigenschaften gegenüber einem Werkstoff, der durch Infiltration mit reinem Silizium hergestellt wurde, deutlich verbessert.
Die erfindungsgemäßen Bauteile aus dem SiC/SiC-Werkstoff werden bevorzugt dort eingesetzt, wo es neben einer hohen mechanischen Festigkeit auch auf eine sehr hohe Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit ankommt, insbesondere als Komponenten von Strahltriebwerken und stationären Gasturbinen (z.B. Ummantelungen, Brennkammern und Turbinenschaufeln) oder als strukturelle Komponenten in Kernreaktoren.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Beispiele
Herstellung von C/C-SiC-Werkstoffen
Zur Herstellung von C/C-Vorkörpern wurden Kohlenstofffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 6 µm in Faserbündeln von jeweils etwa 6.000 Fasern schichtweise als Gelege angeordnet, mit einem Phenolharz imprägniert und mittels Autoklavtechnik ausgehärtet. Nach dem Aushärten des Harzes bei 175 °C wurde das faserverstärkte Kunststoffmaterial bei 1.650 °C im Vakuum pyrolysiert, wobei das Harz in eine Kohlenstoffmatrix umgewandelt wird.
Die C/C-Vorkörper, die für den folgenden Schritt der Infiltration mit Silizium bzw. einer Mischung aus Silizium und Bor eingesetzt wurden, wiesen jeweils Abmessungen von 100 x 30 x 3 mm auf.
Um den grundsätzlichen Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu demonstrieren, wurden drei Beispiele einer Infiltration mit folgenden Zusammensetzungen und Maximaltemperaturen durchgeführt:

Beispiel 1:: Infiltration mit reinem Silizium; Maximaltemperatur 1.420 °C (nicht erfindungsgemäß)
Beispiel 2:: Infiltration mit 92 mol-% Silizium/8 mol-% Bor; Maximaltemperatur 1.420 °C (erfindungsgemäß)
Beispiel 3:: Infiltration mit 92 mol-% Silizium/8 mol-% Bor; Maximaltemperatur 1.395 °C (erfindungsgemäß)

Bis zum Erreichen der Maximaltemperatur wurde jeweils mit einer Rate von 130 K/h aufgeheizt, anschließend wurde sofort mit einer Rate von 500 K/h bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Infiltration erfolgte jeweils im Vakuum.
Von den hergestellten C/C-SiC-Werkstoffen wurden REM-Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskopie) angefertigt, die für die Beispiele 1 bis 3 in den entsprechenden 1 bis 3 dargestellt sind, jeweils in einer 500-fachen und einer 1.000-fachen Vergrößerung. Im mittleren Bereich der Abbildungen sind jeweils Faserbündel dargestellt, bei denen die Kohlenstofffasern senkrecht zur Bildebene verlaufen. Kohlenstoff erscheint in den Abbildungen dunkelgrau, Siliziumcarbid erscheint weiß und nicht umgesetztes Silizium erscheint hellgrau.
Bei einem Vergleich der 1 bis 3 ist deutlich zu erkennen, dass bei dem nicht erfindungsgemäßen Beispiel 1 die Umsetzung von Kohlenstofffasern zu SiC am Rand der Faserbündel bzw. entlang der bei der Pyrolyse entstandenen Bruchstellen deutlich ausgeprägt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 2 fällt die Bildung von SiC in diesen Bereichen aufgrund der Beimischung von 8 mol-% Bor bereits etwas geringer aus. Noch ausgeprägter ist der Effekt bei dem erfindungsgemäßen Beispiel 3, wo die Infiltrationstemperatur gegenüber den anderen Beispielen auf 1.395 °C gesenkt wurde.
Während die Schichtdicke der zu SiC umgesetzten Fasern im Beispiel 1 (entsprechend dem Stand der Technik) bis zu ca. 15 µm beträgt, kann die Dicke der Umsetzungsschicht im erfindungsgemäßen Beispiel 3 durch den Zusatz von Bor und die Reduzierung der Temperatur auf ca. 0,5 µm erheblich verringert werden. Durch die geringere Umsetzung zu SiC behalten die Kohlenstofffasern ihre lasttragenden Eigenschaften und die mechanische Festigkeit des keramischen Faserverbundmaterials wird verbessert.
Anhand weiterer Beispiele wurde untersucht, wie sich die Höhe des Bor-Anteils auf den Umsetzungsgrad der Kohlenstofffasern auswirkt. Bei diesen Beispielen erfolgte die Infiltration jeweils bei einer Maximaltemperatur von 1.400 °C mit folgenden Zusammensetzungen:

Beispiel 4:: Infiltration mit reinem Silizium (nicht erfindungsgemäß)
Beispiel 5:: Infiltration mit 4 mol-% Silizium/96 mol-% Bor (erfindungsgemäß)
Beispiel 6:: Infiltration mit 8 mol-% Bor/92 mol-% Silizium (erfindungsgemäß)
Beispiel 7:: Infiltration mit 12 mol-% Bor/88 mol-% Silizium (erfindungsgemäß)

REM-Aufnahmen mit einer 2.000-fachen Vergrößerung sind für die C/C-SiC-Werkstoffe gemäß den Beispielen 4 bis 7 in den entsprechenden 4 bis 7 dargestellt. Auch hier erscheint Kohlenstoff in Dunkelgrau, Siliziumcarbid in Weiß und nicht umgesetztes Silizium in Hellgrau.
Ein Vergleich der 4 bis 7 zeigt, dass bereits mit einem Anteil von 4 mol-% Bor die Umsetzung der Kohlenstofffasern zu SiC in einem gewissen Maß reduziert werden kann. Wesentlich deutlicher ist dieser Effekt jedoch bei einem Bor-Anteil von 8 mol-%, bei dem auch das Eutektikum des Systems Si/B liegt. Eine Erhöhung des Bor-Anteils auf 12 mol-% führt zu einem ähnlichen Ergebnis, d.h. eine nennenswerte Steigerung des Effekts gegenüber 8 mol-% wird nicht mehr erreicht.
Herstellung von SiC/SiC-Werkstoffen
Die Herstellung von C/SiC-Vorkörpern erfolgte im Wesentlichen analog zur oben beschriebenen Herstellung der C/C-Formkörper, wobei anstelle von Kohlenstofffasern Siliziumcarbidfasern mit einem Faserdurchmesser von 7 bis 10 µm eingesetzt wurden. Die SiC-Fasern wurden unter der Bezeichnung Tyranno SA3 von der Firma Ube Industries bezogen.
Die Infiltration mit Silizium bzw. einer Mischung aus Silizium und Bor erfolgte im Vakuum und bei einer Maximaltemperatur von 1.415 °C, mit einer Aufheizrate von 130 K/h und einer Abkühlrate von 500 K/h. Folgende Beispiele wurden durchgeführt, um den Einfluss des Bor-Anteils darzustellen:

Beispiel 8:: Infiltration mit reinem Silizium (nicht erfindungsgemäß)
Beispiel 9:: Infiltration mit 4 mol-% Bor/96 mol-% Silizium (erfindungsgemäß)
Beispiel 10:: Infiltration mit 8 mol-% Bor/92 mol-% Silizium (erfindungsgemäß)

REM-Aufnahmen der gemäß den Beispielen 8 bis 10 hergestellten SiC/SiC-Werkstoffe sind in den entsprechenden 8 bis 10 dargestellt. Die 20.000-fachen Vergrößerungen zeigen jeweils den Querschnitt einer einzelnen SiC-Faser, die 10 zeigt zusätzlich eine Aufnahme mit 200-facher Vergrößerung. Das SiC in den Fasern erscheint weiß und das umgebende Silizium erscheint schwarz.
In der 8 ist deutlich zu erkennen, dass die Struktur der SiC-Faser zu einem Großteil aufgelöst und durch Silizium ersetzt wurde, d.h. die Infiltration mit reinem Silizium beeinträchtigt die Integrität der SiC-Fasern und damit die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Faserverbundwerkstoffs in erheblichem Maße.
Demgegenüber zeigen die 9 und 10, dass bereits bei einem Anteil von 4 mol-% Bor die SiC-Fasern im Wesentlichen vollständig intakt bleiben, wobei dasselbe Ergebnis auch mit 8 mol-% Bor erhalten wird. Bei den hier sichtbaren schwarzen Bereichen im Inneren der SiC-Fasern handelt es sich um restlichen Kohlenstoff, der aus dem Herstellungsverfahren der Fasern resultiert. Ein entsprechendes Ergebnis wurde auch mit 12 mol-% Bor erzielt (nicht dargestellt).

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid (C/C-SiC), bei dem ein C/C-Vorkörper, der eine Kohlenstoffmatrix mit darin eingebetteten Kohlenstofffasern umfasst, mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um den Kohlenstoff teilweise zu Siliziumcarbid umzusetzen, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Infiltration eingesetzte Silizium einen Anteil von 3 bis 15 mol-% Bor enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anteil an Bor im Bereich von 5 bis 12 mol-% liegt, bevorzugt im Bereich von 7 bis 9 mol-%.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der C/C-Vorkörper mit einer binären Mischung aus Silizium und Bor infiltriert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Infiltration bei einer Maximaltemperatur durchgeführt wird, die unter 1.410 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Maximaltemperatur bei der Infiltration im Bereich von 1.385 bis 1.400 °C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Infiltration während eines Zeitraums von 10 bis 25 Stunden durchgeführt wird, umfassend eine Aufheizperiode, eine Halteperiode bei einer Maximaltemperatur und eine Abkühlperiode.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Halteperiode zwischen 0 und 1 Stunde beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Aufheizrate 100 bis 150 K/h beträgt und die Abkühlrate 200 bis 500 K/h.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der C/C-Vorkörper durch Pyrolyse eines faserverstärkten Kunststoffmaterials hergestellt wird, der eine Matrix aus einem duroplastischen Harz mit darin eigebetteten Kohlenstofffasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Pyrolyse bei einer Temperatur von 900 bis 1.600 °C im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das duroplastische Harz ausgewählt ist aus Phenolharzen, Epoxidharzen und Acrylharzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Anteil an Kohlenstofffasern in dem faserverstärkten Kunststoffmaterial im Bereich von 45 bis 70 Vol.% liegt.
Keramischer Faserverbundwerkstoff auf Basis von Kohlenstoff mit einem Anteil an Siliziumcarbid (C/C-SiC), hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Keramischer Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 13, wobei der Anteil an nicht umgesetztem Silizium in dem Faserverbundwerkstoff bei über 5 Gew.% liegt, bevorzugt im Bereich von 10 bis 15 Gew.%.
Keramischer Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Faserverbundwerkstoff eine Dichte von unter 1,9 g/cm³ aufweist, bevorzugt von unter 1,8 g/cm³.
Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Bauteil bevorzugt eine Bremsscheibe oder ein Reibbelag ist oder ein Konstruktionselement für Luft- und Raumfahrzeuge, insbesondere für Satelliten.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs auf Basis von Siliziumcarbid (SiC/SiC), bei dem ein SiC/C-Vorkörper, der eine Kohlenstoffmatrix mit darin eingebetteten Siliziumcarbidfasern umfasst, mit flüssigem Silizium infiltriert wird, um den Kohlenstoff mindestens teilweise zu Siliziumcarbid umzusetzen, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Infiltration eingesetzte Silizium einen Anteil von 3 bis 15 mol-% Bor enthält.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Kohlenstoff des SiC/C-Vorkörpers im Wesentlichen vollständig zu Siliziumcarbid umgesetzt wird.
Keramischer Faserverbundwerkstoff auf Basis von Siliziumcarbid (SiC/SiC), hergestellt gemäß einem Verfahren nach Anspruch 17 oder 18.
Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 19, wobei das Bauteil bevorzugt eine Komponente eines Strahltriebwerks, einer stationären Gasturbine oder eines Kernreaktors ist.