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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers, insbesondere als Vorkörper für ein keramisches Bauteil.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Grünkörper-Bauteil und ein keramisches Bauteil.
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Aus der
DE 10 2007 053 499 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Reibscheiben aus faserverstärkten keramischen Werkstoffen bekannt.
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Aus der
DE 100 60 566 A1 ist ein Reibkörper aus Silicium-infiltriertem, kohlenstofffaser-verstärkten porösen Kohlenstoff bekannt.
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Aus der
DE 44 38 455 C1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Reibeinheit bekannt.
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Aus der
DE 198 05 868 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs bekannt.
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Aus der
US 9,005,732 B2 ist eine reibungstolerante Scheibe aus faserverstärkter Keramik bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich Grünkörper mit vorteilhaften Eigenschaften herstellen lassen.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unter Verwendung mindestens einer Lage eines X/Y-Vlieses ein Grünkörper hergestellt wird.
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Der Grünkörper ist ein faserverstärkter Körper und insbesondere ein CFK-Körper. Er kann selber als Bauteil verwendet werden, oder er kann beispielsweise als Grundlage zur Herstellung eines Keramikkörpers dienen, wobei der Keramikkörper insbesondere ein CMC-Körper ist.
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Das X/Y-Vlies weist höchstens einen geringen Anteil an Fasern mit Orientierung in Z-Richtung auf. Grundsätzlich können Fasern, welche in Z-Richtung orientiert sind, beim Verpressen von Vliesstoffen Rückstellkräfte induzieren. Dies führt dazu, dass bei der Verwendung von solchen Vliesstoffen nur geringe Faservolumengehalte beispielsweise in der Größenordnung von 20 % oder weniger möglich sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mindestens eine Lage eines X/Y-Vlieses verwendet. Durch den entsprechend geringen Faseranteil in Z-Richtung können X/Y-Vliese stärker komprimiert werden. Dadurch sind höhere Faservolumengehalte in dem Grünkörper und auch beispielsweise an einem daraus hergestellten Keramikkörper möglich.
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Weiterhin neigt ein Grünkörper grundsätzlich zur Delamination während einer Pyrolyse. Aufgrund der verringerten Rückstellkräfte durch die erfindungsgemäße Verwendung von mindestens einer Lage an X/Y-Vlies ist die Delaminationsneigung verringert.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung, bei der mindestens eine Lage eines X/Y-Vlieses mit höchstens einem geringen Anteil an Fasern mit Orientierung in Z-Richtung verwendet wird, lassen sich die Probleme, die sonst mit Vliesstoffen verbunden sind, insbesondere bei der Keramikherstellung, verringern bzw. sogar eliminieren.
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Durch die Verwendung mindestens einer Lage eines X/Y-Vlieses lassen sich insbesondere Faservolumengehalte beispielsweise größer als 30 % im Grünkörper und beispielsweise größer als 20 % in einem Keramikkörper erreichen. Der so hergestellte Werkstoff bzw. das so hergestellte Bauteil hat aufgrund des geringen Anteils an Fasern mit Orientierung in Z-Richtung eine sehr geringe Delaminationsgefahr.
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Weiterhin ist es auch möglich, durch unterschiedliche Varianten des X/Y-Vlieses eine Carbidbildung bei einem Keramisierungsprozess, welche von dem hergestellten Grünkörper ausgeht, gezielt zu beeinflussen. Es können so beispielsweise Werkstoffe mit hoher Carbidumsetzung bei der Keramisierung hergestellt werden oder es können Werkstoffe mit geringer Carbidumsetzung bei der Keramisierung hergestellt werden.
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Ferner ist es möglich, durch Verwendung von X/Y-Vlieslagen mit unterschiedlichen Eigenschaften gradierte Werkstoffe bzw. gradierte Bauteile herzustellen. Insbesondere lässt sich dadurch eine Gradierung bei der Carbidbildung erreichen.
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Beispielsweise lässt sich durch einen gradierten Keramikaufbau eines entsprechenden keramischen Bauteils, welches aus dem entsprechenden Grünkörper hergestellt wird, eine Bildung von Rissen bei Reibschichten reduzieren. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeiten gering gehalten bzw. verhindert. Dadurch wird wiederum einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen einer Reibschicht von ihrem Tragkörper entgegengewirkt.
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Die Gradierung ermöglicht zudem eine Anpassung der Wärmeausdehnung insbesondere eines Keramikwerkstoffes. Dadurch wird einer typischen Rissbildung während eines Herstellungsprozesses vorgebeugt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich integral realisieren. Insbesondere lässt sich beispielsweise eine Reibschicht (welche an einem Bereich mit der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wird) integral mit einem Träger verbinden. Es ist dadurch nur eine relativ geringe Anzahl von Einzelschritten notwendig. Insbesondere ist keine separate Grünkörperfertigung eines Tragkörpers und einer Reibschicht mit einer anschließenden Fügung der Bauteile notwendig. Die integrale Fertigung ermöglicht eine direkte endkonturnahe Herstellung eines Grünkörpers, welcher sowohl einen im endgültigen Bauteil realisierten Tragkörper und mindestens eine Reibschicht umfasst.
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Es lässt sich ferner eine gute Anpassung eines Bereichs an dem Bauteil, welcher ausgehend von der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, an die Wärmeausdehnung eines entsprechenden Tragkörpers erreichen.
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Der Herstellungsprozess lässt sich materialsparend durchführen, da Verschnittreste zur Herstellung des X/Y-Vlieses wiederverwendet werden können. Grundsätzlich ist auch die Verwendung von recyceltem Fasermaterial (insbesondere in einem Nassvliesverfahren) möglich.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass zur Herstellung des Grünkörpers weitere Füllstoffe wie beispielsweise Graphitpulver verwendet werden.
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Bei einer optionalen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies an einem Träger positioniert wird und der Grünkörper aus einer Kombination der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies und dem Träger hergestellt wird. Es ergibt sich so ein effektiver Herstellungsprozess mit Minimierung der einzelnen Schritte. Der Träger und eine an dem Träger hergestellte Schicht lassen sich integral und insbesondere einstückig miteinander verbinden. Es entstehen keine Anbindungsprobleme für die nachträgliche Herstellung einer Schicht auf einem Träger. Es lässt sich so insbesondere eine Reibschicht an einem Tragkörper realisieren. Die Verbindung von mindestens zwei Lagen an X/Y-Vlies mit einem Träger ermöglicht es auch, eine gradierte Anbindung der Vliesstoffe zu erreichen. Die Gradierung kann so aufgebaut werden, dass die Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen einer hergestellten Reibschichtoberfläche und einem hergestellten Tragkörper ausgeglichen werden.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das X/Y-Vlies einen Faseranteil in Z-Richtung von höchstens 7 Volumen-% und insbesondere von höchstens 3 Volumen-% und insbesondere von höchstens 1 Volumen-% aufweist. Weiterhin lassen sich dadurch Rückstellkräfte beim Verpressen von Vliesstoffen gering halten. Dadurch lässt sich effektiv die Gefahr einer Delamination verhindern.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Fasern im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene von mindestens 1 mm und insbesondere von mindestens 5 mm aufweisen. Insbesondere weisen mindestens 90 % der Fasern eine solche Länge auf.
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Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, wenn Fasern im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene von höchstens 100 mm und insbesondere von höchstens 40 mm aufweisen. Insbesondere weisen mindestens 90 % der Fasern diese Länge auf. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn Fasern (insbesondere mindestens 90 % der Fasern) im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene im Bereich zwischen 5 mm und 40 mm aufweisen.
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Die Fasern des X/Y-Vlieses können beispielsweise aus mindestens einem der folgenden Materialien sein: Aluminiumoxid, Carbon, Siliciumcarbid, Aramid, Glas. Es ist grundsätzlich möglich, dass das X/Y-Vlies aus einem Material hergestellt ist oder aus einer Materialmischung je nach Anwendungsfall hergestellt ist.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies durch ein Nassvliesverfahren hergestellt wird. Es wird in diesem Zusammenhang auf „Vliesstoffe: Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung“, Herausgeber W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Verlag John Wiley & Sons, 2009, Weinheim verwiesen. Über ein Nassvliesverfahren lässt sich gezielt ein X/Y-Vlies herstellen, welches einen geringen Z-Faseranteil aufweist. Über bestimmte Parameter im Nassvliesverfahren lässt sich eine Zusammensetzung des hergestellten keramisierten Werkstoffes insbesondere bezüglich Carbidgehalt und/oder Kohlenstoffgehalt einstellen.
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Es ist dann günstig, wenn ein Kohlenstoffanteil und/oder Carbid-Anteil in dem Bauteil in einem Bereich ausgehend von der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies über einen oder mehrere Parameter der Durchführung des Nassvliesverfahrens eingestellt wird.
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Der oder die Parameter umfassen beispielsweise einen Faserauflösungsgrad bei der Nassvliesherstellung, die Dispergierfähigkeit von Fasern, eine Strömungsgeschwindigkeit eines Faser-Wasser-Gemisches, eine Siebbandgeschwindigkeit, eine flächenbezogene Masse eines Vliesstoffes, die Steifigkeit von Fasern für die Vliesherstellung oder eine Faserlänge von Fasern bei der Vliesherstellung. Beispielsweise lässt sich der Anteil an Kohlenstoff und Carbid in einem auf Grundlage des entsprechenden Grünkörpers hergestellten carbidkeramischen Werkstoffs über den Faserauflösungsgrad steuern. Eine starke Auflösung einer Faserbündelstruktur zu Einzelfilamenten führt zu einem hohen Carbidanteil in dem keramischen Werkstoff. Eine geringe Auflösung der Faserbündelstruktur führt zu einem hohen Anteil an Kohlenstoff im Werkstoff, wobei dieser Kohlenstoffanteil sich zusammensetzt aus Kohlenstoff in Carbonfasern und aus Kohlenstoff in einer amorphen Kohlenstoffmatrix. Um beispielsweise die Faserbündelauflösung gering zu halten, kann es vorgesehen sein, dass im Nassvliesprozess längere Fasern insbesondere im Bereich zwischen 15 mm und 40 mm verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform beträgt ein Faservolumengehalt in dem Grünkörper für die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies mindestens 20 Volumen% und insbesondere mindestens 30 Volumen% und insbesondere mindestens 40 Volumen%, insbesondere wenn Carbonfasern (Kohlenstofffasern) verwendet werden.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Träger faserverstärkt ist.
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Insbesondere wird der Grünkörper mittels eines Kohlenstoffprecursors und beispielsweise eines Phenolharzes oder Epoxyharzes hergestellt.
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Bei einer Ausführungsform wird der Grünkörper in einem Warmpressverfahren, Autoklavverfahren oder Infiltrationsverfahren hergestellt. Es kann dann dem Grünkörper auch eine definierte Form gegeben werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Bauteil bereitgestellt, welches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dieses Bauteil ist ein Grünkörper beispielsweise in der Form eines CFK-Körpers.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils bereitzustellen, mit dem sich keramische Bauteile mit vorteilhaften Eigenschaften insbesondere hinsichtlich Faserverstärkung und Carbidumsetzung herstellen lassen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Grünkörper eine Pyrolyse durchgeführt wird, und an einem resultierenden offenporösen Körper (insbesondere Kohlenstoffkörper) eine Keramisierung durchgeführt wird.
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Es lässt sich so ein Keramikwerkstoff herstellen, welcher über ein Vlies faserverstärkt ist, und dabei einen hohen Faservolumengehalt von beispielsweise 20 % bis 35 % aufweist. Die Delaminationsgefahr für ein entsprechend hergestelltes Bauteil ist gering.
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Es lässt sich durch unterschiedliche X/Y-Vlies-Varianten die Carbidbildung bei der Keramisierung beeinflussen. Es können gradierte Werkstoffe hergestellt werden, welche beispielsweise bezüglich der Carbidbildung gradiert sind.
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Beispielsweise lässt sich durch einen gradierten Keramikaufbau der Bildung von Rissen bei Reibschichten entgegenwirken. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeit gering gehalten bzw. verhindert. Dadurch wird wiederum einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen einer Reibschicht von einem Tragkörper entgegengewirkt. Die Gradierung ermöglicht eine Anpassung der Wärmeausdehnung eines entsprechenden Keramikwerkstoffs, um auch so einer Rissbildung entgegenzuwirken bzw. vorzubeugen.
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Günstigerweise wird die Keramisierung durch Infiltrierung des offenporösen Kohlenstoffkörpers mit flüssigem Carbidbildner durchgeführt, wobei der Carbidbildner insbesondere Silicium ist. Das flüssige Silicium reagiert mit Kohlenstoff im offenporösen Kohlenstoffkörper und bildet Carbid. Die Offenporosität des Kohlenstoffkörpers ermöglicht die Infiltrierung mit Carbidbildner.
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Es ist günstig, wenn ein Faservolumengehalt in dem keramischen Bauteil in einem Bereich, der mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, bei mindestens 20 Volumen-% liegt, insbesondere bei der Verwendung von Carbonfasern.
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Bei einer Ausführungsform wird mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies mindestens eine Reibschicht auf einem Tragkörper hergestellt. Es lässt sich so beispielsweise eine Bremsscheibe herstellen. Die Reibschicht, welche mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, kann mit entsprechenden vorteilhaften Eigenschaften versehen werden, wie beispielsweise einer hohen Härte über einen hohen Carbid-Anteil. Die Reibschicht lässt sich mit geringer Rissbildung herstellen, sodass eine Delaminationsgefahr bzw. Abplatzgefahr verringert ist.
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Günstig ist es dann, wenn die mindestens eine Reibschicht einen Carbid-Anteil von mindestens 60 Volumen-% und insbesondere mindestens 70 Volumen-% aufweist.
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Für den Tragkörper ist es günstig, wenn er einen Carbid-Anteil im Bereich zwischen 15 Volumen-% und 65 Volumen-% aufweist. Es lässt sich so eine effektive Anordnung einer Reibschicht an dem Tragkörper erreichen.
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Erfindungsgemäß wird ein Bauteil bereitgestellt, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
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Insbesondere ist ein Tragkörper vorhanden und es ist mindestens eine Reibschicht vorhanden, welche an dem Tragkörper positioniert ist, wobei die mindestens eine Reibschicht mittels mindestens einer Lage an X/Y-Vlies hergestellt ist, wobei insbesondere das X/Y-Vlies durch ein Nassvliesverfahren hergestellt wurde.
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Vorteilhafterweise liegt ein Carbidanteil an der mindestens einen Reibschicht bei mindestens 60 Volumen-% und bei insbesondere mindestens 70 Volumen%, und insbesondere liegt ein Carbid-Anteil im Tragkörper im Bereich zwischen 15 Volumen-% und 65 Volumen-%.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das entsprechende (keramische) Bauteil einen gradierten Aufbau aufweist. Insbesondere kann durch Verwendung mindestens einer ersten Lage und einer zweiten Lage eines X/Y-Vlieses ein gradierter Aufbau bezüglich einer Reibschicht erzeugt werden. Dadurch lässt sich eine Reibschicht mit geringer Rissbildung herstellen. Dadurch wiederum ist die Delaminationsgefahr bzw. Abplatzgefahr verringert.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils in Form einer Bremsscheibe;
- 2 eine Schnittansicht des Bauteils gemäß 1 längs der Linie 2-2;
- 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A gemäß 2;
- 4 eine Mikrostrukturaufnahme an einem Bauteil, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei eine Faserbündelstruktur im Wesentlichen bei einer Nassvliesherstellung erhalten blieb;
- 5 eine Mikrostrukturaufnahme an einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Bauteils, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei Faserbündel bei einer Nassvliesherstellung aufgelöst wurden; und
- 6 eine Mikrostrukturaufnahme eines Ausführungsbeispiels eines X/Y-Vlieses in einer X-Z-Ebene (die Y-Richtung ist senkrecht zur Bildebene), wobei die Aufnahme mittels Bildbearbeitung so bearbeitet wurde, dass Einzelfasern erkennbar sind.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils ist eine keramische Bremsscheibe 10 (1 bis 3).
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Die Bremsscheibe 10 ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und insbesondere kreisringförmig ausgebildet mit einer zentralen durchgehenden Öffnung 12. Die Bremsscheibe 10 umfasst einen Tragkörper 14 (2, 3), welcher aus einem carbidkeramischen Material hergestellt ist und insbesondere faserverstärkt ist. An dem Tragkörper 14 sind eine erste Reibschicht 16 und eine zweite Reibschicht 18 an gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die erste Reibschicht 16 und die zweite Reibschicht 18 sind carbidkeramische Reibschichten mit einem hohen Carbid-Anteil. Sie sind einstückig an bzw. mit dem Tragkörper 14 hergestellt.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Carbidanteil in der ersten Reibschicht 16 bzw. der zweiten Reibschicht 18 an einer Reibseite bei mindestens 60 Volumen-% und insbesondere bei mindestens 70 Volumen-% liegt.
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel liegt der Carbidanteil in der ersten Reibschicht 16 und der zweiten Reibschicht 18 bei ca. 70 Volumen-%.
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Der Carbidanteil in dem Tragkörper 14 ist geringer. Er liegt insbesondere im Bereich zwischen 15 Volumen-% und 65 Volumen-%. Bei einer konkreten Ausführungsform liegt der Carbidanteil in dem Tragkörper 14 im Bereich zwischen ca. 10 Volumen-% und 25 Volumen-%.
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Insbesondere sind der Tragkörper 14 und die Reibschichten 16, 18 aus C/C-SiC hergestellt.
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Das entsprechende Carbidmaterial ist ein Siliciumcarbid-Material, wobei eine freie Kohlenstoffphase enthalten ist und Kohlenstofffasern enthalten sind.
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Die Bremsscheibe 10 wird wie folgt hergestellt:
- Ausgangspunkt für den Tragkörper 14 ist ein Träger. Der Träger ist insbesondere faserverstärkt.
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An dem Träger 14 werden eine oder mehrere Lagen eines X/Y-Vlieses abgelegt.
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Das X/Y-Vlies weist eine zweidimensionale Ausdehnung auf; Fasern im X/Y-Vlies sind im Wesentlichen in der X/Y-Ebene ausgerichtet. Fasern mit einer Ausrichtung in der Z-Richtung (welche senkrecht zur X-Richtung und Y-Richtung ist) sind höchstens in geringem Umfang vorhanden. Insbesondere beträgt ein Volumenanteil von Fasern, welche in Z-Richtung ausgerichtet sind, höchstens 7 % und insbesondere höchstens 1 %.
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Bevorzugt weisen die Fasern eine Länge in der X/Y-Ebene des X/Y-Vlieses von mindestens 1 mm und insbesondere von mindestens 5 mm auf. Diese Länge bezieht sich dabei auf mindestens 90 % der vorhandenen Fasern.
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Ferner liegt die Faserlänge in der X/Y-Ebene bei höchstens 100 mm und insbesondere bei höchstens 40 mm, wobei dies insbesondere auf mindestens 90 % der Fasern des X/Y-Vlieses bezogen ist.
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Bevorzugterweise liegt die Faserlänge (bei mindestens 90 % der vorhandenen Fasern) in der X/Y-Ebene zwischen einschließlich 5 mm und einschließlich 40 mm.
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Die Fasern können beispielsweise Aluminiumoxid-Fasern, Carbonfasern, Aramidfasern, Glasfasern oder Siliciumcarbidfasern sein.
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Das X/Y-Vlies ist durch ein Nassvliesverfahren hergestellt.
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Bei der Herstellung von Nassvliesen sind üblicherweise drei Schritte vorgesehen, nämlich (1) die Stoffaufbereitung, (2) die Vliesbildung und (3) die Trocknung-Verfestigung. Üblicherweise erfolgt dann eine Aufwicklung.
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Es wird zunächst eine homogene Faser-Wasser-Suspension erzeugt. Das Ausgangsmaterial dafür sind Kurzfasern (insbesondere mit einer Schnittlänge kleiner 25 mm). Das Fasermaterial wird in Wasser dispergiert, wobei unter Umständen dazu Hilfsmittel wie Carboxymethylcellulose eingesetzt werden. Insbesondere wird zur Dispergierung ein Pulper eingesetzt.
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Nach entsprechender Mischzeit wird die Dispension in einen Vorratsbehälter geleitet und dort mit Prozesswasser die eigentliche Faser-Wasser-Konsistenz eingestellt.
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In einem weiteren Schritt erfolgt die eigentliche Vliesbildung. Dazu wird das Gemisch aus dem Vorratsbehälter in einen Rundverteiler geleitet. Dieser führt dann die Suspension einer Nassvliesanlage zu. Ein Schlauchsystem einer Verteileranlage sorgt für ein homogenes Gemischangebot über eine gesamte Anlagennennbreite. In einem Stoffauflauf ist ein Sieb und insbesondere Schrägsieb zur Aufnahme von Fasern und es sind Entwässerungskästen zum Abscheiden von Prozesswasser vorgesehen. Die Fasern werden über Unterdruckbeaufschlagung auf dem Schrägsieb angesaugt. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Vliesbildung.
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An unterbelegten Stellen des Schrägsiebs wirkt ein höherer Sog. Dadurch legt sich weiteres Fasermaterial an diesen Stellen ab.
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Über Rohrsaugen erfolgt eine Entwässerung bis zu einem Restfeuchtegehalt von ca. 15 % bis 50 %.
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Es können anschließend Ausrüstungschemikalien aufgebracht werden.
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Abschließend durchläuft das noch feuchte Vlies einen Trocknungsschritt, welcher in Form einer Kontakttrocknung bzw. Durchströmtrocknung ausgeführt sein kann. Falls thermoplastische Fasern oder Bindemittel mit in das Vlies eingebracht sind, lässt sich durch Wärmebehandlung eine Vliesverfestigung erreichen. Anschließend erfolgt eine Aufwicklung bzw. eine direkte Weiterverarbeitung.
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Durch ein Nassvliesverfahren lässt sich ein X/Y-Vlies mit minimiertem Z-Anteil von Fasern herstellen.
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Es wird in diesem Zusammenhang auf die Veröffentlichung „Vliesstoffe: Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung“, Herausgeber W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Verlag John Wiley & Sons, 2009, Weinheim verwiesen.
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Unterschiedliche Arten von Nassvliesen lassen sich durch Parametervariationen herstellen. Beispielsweise ist ein einstellbarer Parameter die Faserauflösung. Die Faserauflösung gibt an, wie stark die Fasern beim Dispergieren vereinzelt werden. Beispielsweise führt langes Mischen bei hoher Drehzahl zu stark vereinzelten Fasern in der Dispersion. Entsprechend führt kurzes Mischen bei geringer Drehzahl zu niedrigerer Faserauflösung.
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Weiterhin lässt sich die Faserorientierung insbesondere durch die Strömungsgeschwindigkeit des Faser-Wasser-Gemisches in einem Stoffauflauf und die Geschwindigkeit des Schräg-Siebs einstellen.
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Ferner ist ein Parameter, welcher die Ausbildung des entsprechenden Vlieses beeinflusst, die flächenbezogene Masse, welche das Fasergewicht ist, welches einer bestimmten Fläche eines fertigen Textils zugeordnet wird.
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Auch die Gleichmäßigkeit der Faserverteilung über die gesamte textile Fläche ist ein relevanter Parameter.
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Weiterhin sind relevante Parameter die Steifigkeit und die Länge von Fasern.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, wie oben erwähnt, dass mindestens eine Lage an X/Y-Vlies mit geringem Z-Faseranteil bereitgestellt wird.
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Die Kombination aus Träger und daran abgelegter mindestens einen Lage an X/Y-Vlies (hergestellt durch ein Nassvliesverfahren) wird dann mit einem Kohlenstoff-Precursor wie einem Phenolharz (oder Epoxyharz) infiltriert und es wird insbesondere in einem Warmpressverfahren ein Grünkörper hergestellt.
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Die entsprechenden Druck- und Temperaturparameter richten sich insbesondere nach dem Kohlenstoff-Precursor.
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Der so hergestellte Grünkörper wird dann einer Pyrolyse unterzogen. Die Pyrolyse erfolgt unter Sauerstoffausschluss bei relativ hohen Temperatur für eine bestimmte Zeit, wobei bei der Pyrolyse unter Sauerstoffausschluss flüchtige Bestandteile des Kohlenstoff-Precursors entfernt werden.
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Insbesondere erfolgt die Pyrolyse unter Temperaturen von mindestens 900°C.
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Das Ergebnis der Pyrolyse ist ein offenporöser Kohlenstoffkörper, wobei dann die Ausgangskörper für den Tragkörper 14 und die Reibschichten 16, 18 einstückig miteinander verbunden sind.
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An dem offenporösen Kohlenstoffkörper wird dann eine Carbidbildnerinfiltrierung durchgeführt. Bei dem LSI-Verfahren (Liquid Silicium Infiltration) wird flüssiges Silicium dem offenporösen Kohlenstoffkörper zugeführt. Der Silicium als Carbidbildner reagiert mit Kohlenstoff zu Carbid. Es kann dabei grundsätzlich eine freie Carbidbildner-Phase (im Falle von Silicium als Carbidbildner eine freie Silicium-Phase) verbleiben und es kann eine freie Kohlenstoff-Phase verbleiben, je nach Verfahrensdurchführung.
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Insbesondere wird das Verfahren so durchgeführt, dass eine freie Carbidbildner-Phase minimiert ist.
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Es wird insbesondere dann eine Grünkörper hergestellt, ausgehend von der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies, bei dem im Bereich der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies der Faservolumengehalt bei starker Faserauflösung im Nassvliesverfahren mindestens 30 % und dann im fertigen Bauteil bei mindestens 20 % liegt. Beispielsweise beträgt der maximale Faservolumengehalt bei einem konkreten Ausführungsbeispiel 34,4 % im Grünkörper und 24,6 % im fertigen Bauteil (in der Keramik) bei starker Faserauflösung, bei Verwendung von Carbonfasern.
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Bei geringer Faserauflösung im Nassvliesverfahren, bei welcher die Faserbündelstruktur im Wesentlichen erhalten bleibt, beträgt der Faservolumengehalt im Grünkörper vorzugsweise mindestens 40 % und in der Keramik (im Bauteil) bevorzugterweise mindestens 30 %.
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Bei einer konkreten Ausführungsform liegt der Faservolumengehalt bei erhaltener Faserbündelstruktur im Bereich der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies im Grünkörper bei 45,2 % und in der Keramik bei 37 %, bei Verwendung von Carbonfasern.
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Grundsätzlich lässt sich über Einstellung der Faserauflösung bei der Herstellung des X/Y-Vlieses bei der Nassvliesherstellung die Verstärkungsstruktur im fertigen Bauteil und auch die Keramikumsetzung bei der Herstellung des Bauteils beeinflussen.
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Über das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auch andere Bauteile als Bremsscheiben herstellen.
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Grundsätzlich lässt sich die Bremsscheibe 10 mit einer relativ geringen Anzahl von Einzelschritten herstellen; es muss keine Reibschicht 16 bzw. 18 gefügt werden, da eine einstückige Herstellung bereits bei der Grünkörperherstellung erfolgt.
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Es ist auch möglich, dass über die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies, wobei dieses über ein Nassvliesverfahren hergestellt ist, ein gradierter Aufbau der einzelnen Vlieslagen erreicht werden kann. Durch einen gradierten Aufbau in einem Keramikkörper lässt sich beispielsweise die Bildung von Rissen insbesondere bei Reibschichten reduzieren. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeiten gering gehalten bzw. verhindert. Es wird einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen einer Reibschicht von ihrem Tragkörper entgegengewirkt.
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Die Gradierung ermöglicht zudem eine Anpassung der Wärmeausdehnung; dadurch wird eine typische Rissbildung während eines Herstellungsprozesses weitgehend vermieden.
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Durch die Reduzierung von Rissen lässt sich das Eindringen von Flüssigkeiten in den Reibschichten 16, 18 bei der Bremsscheibe 10 minimieren. Dadurch wird einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen in einer Anwendungssituation der Reibschicht 16, 18 entgegengewirkt.
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Durch unterschiedliche X/Y-Vliesvarianten lässt sich die Carbidbildung beeinflussen. Dies wiederum ermöglicht es, durch den Einsatz unterschiedlicher X/Y-Vliesvarianten einen angepassten gezielten gradierten Aufbau zu erreichen.
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Durch den sehr geringen Anteil an in Z-Richtung gerichteten Fasern bei dem X/Y-Vlies lässt sich ein gradierter Lagenaufbau ohne Delaminationen erzielen.
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Es lassen sich dadurch auch Fasern für das X/Y-Vlies mit größeren Faserlängen (insbesondere im Bereich zwischen 5 mm und 40 mm) verwenden.
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Es lässt sich ferner dadurch insbesondere über eine gradierte Ausbildung eine gute Anpassung an die Wärmeausdehnung des Tragkörpers 14 erreichen.
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Weiterhin lässt sich der Herstellungsprozess materialsparend durchführen, da Verschnittreste bei der Herstellung des X/Y-Vlieses wieder verwendet werden können.
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Grundsätzlich ist es auch möglich, dass unterschiedliche Materialien bei der Herstellung des X/Y-Vlieses verwendet werden. Dadurch wiederum kann Einfluss auf die thermischen und trobologischen Eigenschaften der so hergestellten Reibschicht 16 bzw. 18 genommen werden.
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Beispielsweise kann auch ein Bauteil hergestellt werden, welches insbesondere einen sehr hohen Volumenanteil an Carbid umfasst, welches beispielsweise bei einer ballistischen Schutzanwendung eingesetzt werden kann.
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In 4 ist eine Mikrostrukturaufnahme bei einem entsprechenden Bauteil im Bereich einer Lage mit X/Y-Vlies gezeigt. Das verwendete X/Y-Vlies hatte dabei eine geringe Faserauflösung bei der Nassvliesherstellung; dies bedeutet, dass die Faserbündel im X/Y-Vlies im Wesentlichen erhalten blieben.
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Die dunklen Bereiche in 4, welche in 4 mit dem Bezugszeichen 20 angedeutet sind, bestehen aus Kohlenstofffasern und amorphem Kohlenstoff. (Bei dem Bauteil ist das X/Y-Vlies aus Kohlenstofffasern hergestellt.)
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Die grauen Bereiche, angedeutet mit dem Bezugszeichen 22, bestehen aus Siliciumcarbid.
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Die weißen Bereiche (angedeutet mit dem Bezugszeichen 24) bestehen aus freiem Silicium (das heißt der freien Siliciumphase).
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In 5 ist eine Mikrostrukturaufnahme aus einem anderen Bauteil gezeigt, wobei bei dem verwendeten X/Y-Vlies aus Carbonfasern eine hohe Faserauflösung bei der Nassvliesherstellung vorlag. Man erkennt in 5 den im Vergleich zu 4 verringerten Kohlenstoffanteil und den erhöhten Anteil an Siliciumcarbid 22.
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Man sieht aus dem Vergleich mit den 4 und 5, dass die Faserauflösung bei der Nassvliesherstellung im X/Y-Vlies die Mikrostruktur des keramischen Bauteils wesentlich beeinflusst.
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6 zeigt eine Mikrostrukturaufnahme an einem X/Y-Vlies in der X-Z-Ebene. Die Y-Richtung ist senkrecht zur Zeichenebene.
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Die entsprechende Aufnahme wurde einer Bildbearbeitung unterzogen, damit Einzelfasern besser vor dem Hintergrund (in der Zeichnung in Weiß) erkennbar sind.
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Die schwarzen Bereiche in 6 sind Einzelfasern, die in der X-Y-Ebene aufgrund Verwendung eines X/Y-Vlieses bei der Herstellung des Grünkörpers orientiert sind.
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Man erkennt, dass eine Z-Orientierung von Einzelfasern praktisch nicht vorhanden ist.
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Insbesondere lassen sich über die Einstellung des Parameters Faserauflösung und alternativ oder in Kombination mit den anderen erwähnten Parametern Bauteile (Werkstoffe) mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten und/oder Carbidgehalten herstellen.
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Dadurch wiederum ist eine Gradierung eines Bauteils insbesondere bezüglich des Gehalts an Carbid und/oder Kohlenstoff möglich.
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Es lässt sich so eine optimierte Anpassung an friktionsbelastete Anwendungen (wie eine Bremsscheibe) ermöglichen, oder es lassen sich auch Anwendungen beispielsweise bezüglich ballistischem Schutz mit hohem Keramikgehalt realisieren.
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Beispielsweise können entsprechende Bauteile auch verwendet werden für radartransparente Strukturen, für Thermoschutzsysteme oder auch für Anwendungen im Bereich von Energiespeichersystemen wie beispielsweise für Einhausungen für Latentwärmespeicher.
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Grundsätzlich lässt sich auch ein hergestellter Grünkörper insbesondere in Form eines CFK-Körpers auf vorteilhafte Weise für bestimmte Anwendungen einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bremsscheibe
- 12
- Öffnung
- 14
- Tragkörper
- 16
- Erste Reibschicht
- 18
- Zweite Reibschicht
- 20
- Kohlenstofffasern/amorpher Kohlenstoff
- 22
- Siliciumcarbid
- 24
- Silicium
- 26
- Einzelfasern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007053499 A1 [0004]
- DE 4438456 A1 [0005]
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- DE 4438455 C1 [0007]
- DE 19721773 A1 [0008]
- DE 19805868 A1 [0009]
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- DE 19901250 A1 [0011]
- DE 102005052802 A1 [0012]
- DE 102006057939 A1 [0013]
- DE 102007040128 A1 [0014]
- US 9005732 B2 [0015]
