DE102019207617A1 - METHOD FOR MANUFACTURING A COMPONENT FROM A CERAMIC FIBER COMPOSITE MATERIAL - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus keramischen Faserverbundwerkstoffen, bei welchen Fasern (8) aus Keramik oder Kohlenstoff in einer Matrix (11) aus Siliciumcarbid eingebettet sind, wobei Schichten (1,3,5) mit einem organische Werkstoff (6) und Silicium - Partikeln (7) und Schichten (2,4) mit Fasern (8) angeordnet und zu einem Grünkörper geformt werden, wobei anschließend der Grünkörper einer Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur von Silicium unterzogen wird, bei der eine SiC - Matrix (11) gebildet wird, in der die Fasern (8) eingelagert sind.The present invention relates to a method for producing components made of ceramic fiber composite materials, in which fibers (8) made of ceramic or carbon are embedded in a matrix (11) made of silicon carbide, layers (1, 3, 5) with an organic material (6 ) and silicon particles (7) and layers (2,4) with fibers (8) are arranged and shaped into a green body, the green body then being subjected to a heat treatment above the melting temperature of silicon, in which a SiC matrix (11 ) is formed in which the fibers (8) are embedded.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus keramischen Faserverbundwerkstoffen, bei welchen Fasern aus Keramik oder Kohlenstoff in einer Matrix aus Siliciumcarbid eingebettet sind.The present invention relates to a method for producing components made of ceramic fiber composite materials, in which fibers made of ceramic or carbon are embedded in a matrix made of silicon carbide.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Keramische Faserverbundwerkstoffe, die im englischen auch als Ceramic Matrix Composites CMC bezeichnet werden, werden aufgrund ihrer guten Hochtemperatur - sowie Korrosionsbeständigkeit und ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften in vielen Bereichen der Technik eingesetzt, unter anderem bei Hochtemperaturanwendungen im Flugzeug - bzw. Flugtriebwerksbau. Allerdings ist die Herstellung von Bauteilen aus keramischen Faserverbundwerkstoffen schwierig, da häufig die Porenfreiheit und Homogenität der Matrix schwierig zu erreichen sind.Ceramic fiber composites, which are also known as Ceramic Matrix Composites CMC, are used in many areas of technology due to their good high temperature and corrosion resistance and their excellent mechanical properties, including high temperature applications in aircraft and aircraft engine construction. However, the production of components from ceramic fiber composite materials is difficult, since the absence of pores and homogeneity of the matrix are often difficult to achieve.

Beispielsweise wird bei der Herstellung von Bauteilen aus mit SiC - Fasern verstärktem Siliciumcarbid die Matrix häufig durch Infiltration von flüssigem Silicium in einen Faserrohling (Preform) hergestellt. Allerdings stellt die Durchdringung des Faserrohlings mit flüssigem Silicium eine Schwierigkeit dar, die umso schwerwiegender ist, je größer das Bauteil ist bzw. je mehr SiC - Matrix gebildet werden muss. Dies kann dazu führen, dass ein Teil des bereitgestellten Kohlenstoffs nicht zu Siliciumcarbid reagieren kann, sodass die Homogenität der Matrix beeinträchtigt wird. Außerdem kann es zu Porenbildung kommen, die ebenfalls die Anwendung von Bauteilen aus derartigen keramischen Faserverbundwerkstoffen, wie faserverstärktem Siliciumcarbid, beeinträchtigen kann.For example, in the production of components from silicon carbide reinforced with SiC fibers, the matrix is often produced by infiltration of liquid silicon into a fiber blank (preform). However, the penetration of the fiber blank with liquid silicon represents a difficulty which is more serious the larger the component is or the more SiC matrix has to be formed. This can mean that some of the carbon provided cannot react to form silicon carbide, so that the homogeneity of the matrix is impaired. In addition, pore formation can occur, which can also impair the use of components made of such ceramic fiber composite materials, such as fiber-reinforced silicon carbide.

In dem Dokument US 8 980 027 B2 ist beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Faserrohling mit Pulverpartikeln versetzt wird, die anschließend zu der Matrix gesintert werden oder bei denen ein zusätzlicher, schmelzflüssiger Stoff zur Bildung der Matrix durch Infiltration hinzugegeben wird. Auch hier ergibt sich das Problem, dass bei ungenügender Verteilung der Pulverpartikel und / oder Infiltration des schmelzflüssigen Stoffes die Matrix porös oder inhomogen ausgebildet werden kann.In the document US 8 980 027 B2 For example, a method is described in which a fiber blank is mixed with powder particles which are then sintered to form the matrix or in which an additional, molten substance is added to form the matrix by infiltration. Here, too, the problem arises that if there is insufficient distribution of the powder particles and / or infiltration of the molten substance, the matrix can be made porous or inhomogeneous.

Auch das Dokument US 9 440 888 B2 offenbart ein Herstellungsverfahren für einen keramischen Faserverbundwerkstoff, bei dem mit Kohlenstoff beschichtete Fasern in einem Faserrohling zusätzlich mit Kohlenstoff - oder Keramik - Pulver versetzt werden und geschmolzenes Silicium infiltriert wird. Auch hier kann es bei der Infiltration von Silicium zu Porenbildung oder inhomogener Ausbildung der Matrix kommen.The document too US 9 440 888 B2 discloses a manufacturing process for a ceramic fiber composite material in which fibers coated with carbon are additionally mixed with carbon or ceramic powder in a fiber blank and molten silicon is infiltrated. Here, too, the infiltration of silicon can lead to the formation of pores or an inhomogeneous formation of the matrix.

In dem US Patent US 5 589 115 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs beschrieben, bei dem Schichten mit Fasern abwechselnd mit keramischen Schichten angeordnet werden, die anschließend bei hoher Temperatur und Druck zu dem Faserverbundwerkstoff verpresst werden. Zwar können hierbei weitgehend porenfreie Bauteile erzeugt werden, aber der Aufwand das Verpressen der Keramikschichten mit den Faserschichten ist hoch.In the US patent U.S. 5,589,115 A a method for producing a ceramic fiber composite material is described in which layers with fibers are arranged alternately with ceramic layers, which are then pressed at high temperature and pressure to form the fiber composite material. Although largely pore-free components can be produced here, the effort involved in pressing the ceramic layers with the fiber layers is high.

In dem US Patent US 5 476 685 A wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs mit Kohlenstofffasern, die in einer keramischen Matrix eingelagert sind, beschrieben, wobei die Matrix durch chemische Dampfphaseninfiltration erzeugt wird. Doch auch hier ergibt sich neben dem hohen Aufwand für die chemische Dampfphaseninfiltration das Problem, dass es zur inhomogenen Ausbildung der Matrix oder zur Porenbildung kommen kann.In the US patent U.S. 5,476,685 A a method for the production of a ceramic fiber composite material with carbon fibers which are embedded in a ceramic matrix is described, the matrix being produced by chemical vapor phase infiltration. But here too, in addition to the high expenditure for chemical vapor phase infiltration, the problem arises that the matrix can be inhomogeneous or pore formation can occur.

Auch das US Patent US 9 512 044 B2 beschreibt die Dampfphaseninfiltration eines Faserrohlings als ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs. Darüber hinaus werden weitere Infiltrationsverfahren zur Infiltration verschiedener Ausgangsstoffe, wie beispielsweise von Polymeren oder sonstigen Schlämmen oder geschmolzenen Stoffen beschrieben, die jedoch ebenfalls zu den oben beschriebenen Problemen führen.Also the US patent US 9 512 044 B2 describes the vapor phase infiltration of a fiber blank as a method for producing a ceramic fiber composite material. In addition, further infiltration processes for infiltrating various starting materials, such as, for example, polymers or other sludges or molten substances, are described, which, however, also lead to the problems described above.

Auch das Dokument US 2016/0159066 A1 beschreibt eine Infiltrationsmethode, bei der geschmolzenes Material in einen Faserrohling infiltriert wird, wobei zusätzlich an dem Faserrohling eine poröse Keramikschicht ausgebildet ist.The document too US 2016/0159066 A1 describes an infiltration method in which molten material is infiltrated into a fiber blank, with a porous ceramic layer additionally being formed on the fiber blank.

Das US Patent US 6 773 528 B2 beschreibt wiederum ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs, bei dem letztendlich geschmolzenes Silicium in einen Grünkörper infiltriert wird, was wiederum die oben beschriebenen Probleme hinsichtlich Porosität und Homogenität der Matrix mit sich bringt.The US patent US 6,773,528 B2 describes in turn a method for producing a ceramic fiber composite material, in which ultimately molten silicon is infiltrated into a green body, which in turn brings with it the problems described above with regard to porosity and homogeneity of the matrix.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Faserverbundwerkstoffen bzw. von Bauteilen daraus bereitzustellen, bei welchem auf die Infiltration von entsprechenden Stoffen in einen Faserrohling oder Grünkörper verzichtet werden kann und eine homogene und weitgehend porenfreie Matrix erzeugt werden kann. Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem Bauteile aus faserverstärktem Siliciumcarbid in zuverlässiger und einfacher Weise hergestellt werden können.It is therefore the object of the present invention to provide a method for the production of ceramic fiber composite materials or of components therefrom, in which the infiltration of corresponding substances into a Fiber blank or green body can be dispensed with and a homogeneous and largely pore-free matrix can be produced. In particular, a method is to be specified with which components made of fiber-reinforced silicon carbide can be manufactured in a reliable and simple manner.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method with the features of claim 1. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schlägt zur Herstellung von Bauteilen aus keramischen Faserverbundwerkstoffen auf Basis von Siliciumcarbid vor, Schichten mit einem organischen Werkstoff und Silicium - Partikeln sowie Schichten mit Fasern, die in dem keramischen Faserverbundwerkstoff enthalten sein sollen, zu einem Grünkörper zu formen, wobei anschließend der Grünkörper einer Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur von Silicium unterzogen wird, sodass eine SiC - Matrix aus dem Kohlenstoff des organischen Werkstoffs und den Silicium - Partikeln gebildet wird, in der die Fasern eingelagert sind. Mit dieser Vorgehensweise kann auf die Infiltration von Stoffen in einen Faserrohling verzichtet werden. Stattdessen wird durch die Bereitstellung des Kohlenstoffs über einen organischen Werkstoff und des Siliciums über die Silicium - Partikel in entsprechenden Schichten, die zusätzlich zu Schichten mit den einzulagernden Fasern angeordnet werden, die Bildung von Siliciumcarbid ermöglicht, welches homogen ohne Ausbildung von Poren an den Fasern ausgebildet werden kann.For the production of components from ceramic fiber composites based on silicon carbide, the invention proposes to form layers with an organic material and silicon particles as well as layers with fibers that are to be contained in the ceramic fiber composite material to form a green body, the green body then being one Heat treatment above the melting temperature of silicon is subjected, so that a SiC matrix is formed from the carbon of the organic material and the silicon particles in which the fibers are embedded. With this procedure, the infiltration of substances into a fiber blank can be dispensed with. Instead, the provision of the carbon via an organic material and the silicon via the silicon particles in appropriate layers, which are arranged in addition to layers with the fibers to be embedded, enables the formation of silicon carbide, which is homogeneous without the formation of pores on the fibers can be.

Die Silicium - Partikel können in den Schichten mit dem organischen Werkstoff und den Silicium - Partikeln in dem organischen Werkstoff eingebettet sein und / oder auf dem organischen Werkstoff angeordnet sein.The silicon particles can be embedded in the layers with the organic material and the silicon particles in the organic material and / or can be arranged on the organic material.

Bei dem organischen Werkstoff kann es sich um ein thermoplastisches Polymer handeln.The organic material can be a thermoplastic polymer.

Der organische Werkstoff kann bei der Wärmebehandlung pyrolysiert oder verbrannt werden, sodass lediglich der Kohlenstoff des organischen Werkstoffs bzw. des thermoplastischen Polymers für die Siliciumcarbid - Bildung bereitgestellt wird, während andere Bestandteile des organischen Werkstoffs bzw. thermoplastischen Polymers verbrennen und / oder ausgasen.The organic material can be pyrolyzed or burned during the heat treatment so that only the carbon of the organic material or thermoplastic polymer is provided for silicon carbide formation, while other components of the organic material or thermoplastic polymer burn and / or outgas.

Der organische Werkstoff kann insbesondere aus der Gruppe ausgewählt werden, die Wachse, insbesondere synthetische Wachse, Polyamide, Polyethylen und Polyolefine umfasst.The organic material can in particular be selected from the group comprising waxes, in particular synthetic waxes, polyamides, polyethylene and polyolefins.

Die Schichten mit einem organischen Werkstoff und Silicium - Partikeln sowie die Schichten mit Fasern können abwechselnd zueinander bzw. alternierend angeordnet werden, sodass die Fasern gleichmäßig von der Matrix, die durch die Bildung des Siliciumcarbid entsteht, umschlossen sind.The layers with an organic material and silicon particles as well as the layers with fibers can be arranged alternately with one another or alternately so that the fibers are evenly enclosed by the matrix that is created by the formation of the silicon carbide.

Der Grünkörper, der aus den Schichten mit einem organischen Werkstoff und Silicium - Partikeln sowie den Schichten mit Fasern gebildet wird, kann in einer Form entsprechend der Form des herzustellenden Bauteils hergestellt werden, sodass bereits eine endkonturnahe Form des Grünkörpers gegeben ist.The green body, which is formed from the layers with an organic material and silicon particles and the layers with fibers, can be produced in a shape corresponding to the shape of the component to be produced, so that the green body already has a near net shape.

Die Schichten mit einem organischen Werkstoff und Silicium - Partikeln sowie die Schichten mit Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff können zur Bildung des Grünkörpers miteinander mithilfe eines Klebstoffs verklebt werden. Zusätzlich oder alternativ können auch die Bestandteile der einzelnen Schichten, also beispielsweise die Silicium - Partikel mit dem organischen Werkstoff oder untereinander sowie die Fasern aus Kohlenstoff und / oder Keramik miteinander verklebt werden. Zum Verkleben der Schichten mit einem organischen Werkstoff und Silicium - Partikeln sowie den Schichten mit Fasern aus Kohlenstoff und / oder Keramik und / oder von deren Bestandteilen kann ein Klebstoff aus der Gruppe verwendet werden, die Wachse, insbesondere synthetische Wachse, Polyamide, Polyethylen und Polyolefine umfasst.The layers with an organic material and silicon particles and the layers with fibers made of ceramic and / or carbon can be glued to one another with the aid of an adhesive to form the green body. Additionally or alternatively, the components of the individual layers, for example the silicon particles with the organic material or with one another, and the fibers made of carbon and / or ceramic, can be glued to one another. An adhesive from the group consisting of waxes, in particular synthetic waxes, polyamides, polyethylene and polyolefins, can be used to bond the layers with an organic material and silicon particles and the layers with fibers made of carbon and / or ceramic and / or their components includes.

Der Grünkörper kann während der Wärmebehandlung komprimiert werden, wobei insbesondere ein HIP - Prozess (heißisostatisches Pressen HIP) durchgeführt werden kann.The green body can be compressed during the heat treatment, in particular a HIP process (hot isostatic pressing HIP) can be carried out.

Als keramische Fasern können Siliciumcarbid - Fasern oder beschichtete Siliciumcarbid - Fasern verwendet werden, wobei die Beschichtung der Siliciumcarbid - Fasern mit einem Stoff erfolgen kann, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die BN, Si3N4, SiC und C umfasst.Silicon carbide fibers or coated silicon carbide fibers can be used as ceramic fibers, it being possible for the silicon carbide fibers to be coated with a substance selected from the group consisting of BN, Si 3 N 4 , SiC and C.

FigurenlisteFigure list

Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

  • 1 eine Querschnittsdarstellung eines Grünkörpers eines ersten Ausführungsbeispiels,
  • 2 eine Querschnittsdarstellung des aus dem Grünkörper der 1 gefertigten Bauteils,
  • 3 eine Querschnittsdarstellung eines Grünkörpers eines zweiten Ausführungsbeispiels,
  • 4 eine Querschnittsdarstellung des aus dem Grünkörper der 2 gefertigten Bauteils und in
  • 5 einen Querschnitt durch eine beschichtete Faser.
The accompanying drawings show in a purely schematic manner
  • 1 a cross-sectional representation of a green body of a first embodiment,
  • 2 a cross-sectional view of the from the green body of 1 manufactured component,
  • 3 a cross-sectional representation of a green body of a second embodiment,
  • 4th a cross-sectional view of the from the green body of 2 manufactured component and in
  • 5 a cross section through a coated fiber.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEXAMPLES

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele ersichtlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.Further advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of the exemplary embodiments. However, the invention is not restricted to these exemplary embodiments.

Die 1 zeigt eine rein schematische Querschnittsansicht eines gemäß der Erfindung hergestellten Grünkörpers zur Herstellung eines Bauteils aus einem faserverstärkten Werkstoff. Der in 1 gezeigte Grünkörper umfasst insgesamt fünf Schichten 1 bis 5, die übereinander angeordnet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Grünkörper eine quaderförmige Form auf, wobei jedoch auch ein Grünkörper gebildet werden kann, der jede beliebige äußere Kontur und unterschiedlichste Schichtaufbauten aufweisen kann.The 1 shows a purely schematic cross-sectional view of a green body produced according to the invention for producing a component from a fiber-reinforced material. The in 1 The green body shown comprises a total of five layers 1 to 5 that are arranged one above the other. In the exemplary embodiment shown, the green body has a cuboid shape, but it is also possible to form a green body which can have any desired outer contour and a wide variety of layer structures.

Die erste, dritte und fünfte Schicht 1, 3, 5 des in 1 gezeigten Grünkörpers wird jeweils durch einen thermoplastischen Werkstoff 6 gebildet, in den Silicium - Partikel 7 eingelagert sind.The first, third and fifth layers 1 , 3 , 5 of the in 1 The green body shown is each made of a thermoplastic material 6th formed in the silicon particles 7th are stored.

Die zweite und vierte Schicht 2, 4 wird jeweils durch eine Lage aus SiC - Fasern 8 gebildet, wobei die Längsachse der jeweiligen Fasern parallel zueinander angeordnet sind. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass die Fasern sowohl in einer Schicht als auch in verschiedenen Schichten unterschiedlich zueinander ausgerichtet sind. Die Fasern 8 sind mittels eines Klebstoffs 9, beispielsweise durch ein organisches Harz, miteinander zu der jeweiligen Schicht 2, 4 verklebt.The second and fourth layers 2 , 4th is made up of a layer of SiC fibers 8th formed, wherein the longitudinal axis of the respective fibers are arranged parallel to one another. However, it is also conceivable that the fibers are aligned differently to one another both in one layer and in different layers. The fibers 8th are by means of an adhesive 9 , for example by an organic resin, together to form the respective layer 2 , 4th glued.

Sämtliche Schichten 1 bis 5 des Grünkörpers können ebenfalls durch einen Klebstoff miteinander verklebt sein und durch Zusammenpressen zu dem Grünkörper, wie er in 1 dargestellt ist, geformt werden.All layers 1 to 5 of the green body can also be glued to one another by an adhesive and by pressing together to form the green body, as shown in FIG 1 is shown.

Der Grünkörper aus 1 wird einer Wärmebehandlung unterzogen, die bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silicium durchgeführt wird und bei der ein äußerer Druck auf den Grünkörper ausgeübt werden kann, wobei vorzugsweise der Druck allseitig auf den Grünkörper einwirken kann. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung durch heißisostatisches Pressen bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Silicium - Partikel 7 durchgeführt werden. Durch die Wärmebehandlung schmelzen die Silicium - Partikel 7 auf und das Silicium reagiert mit dem thermoplastischen Werkstoff 6, sodass eine SiC - Matrix 11 ausgebildet wird, in welcher die SiC - Fasern 8, die in dem Grünkörper angeordnet waren, eingelagert sind. Die Bestandteile des thermoplastischen Werkstoffs 6 und des Klebstoff 9 mit Ausnahme des Kohlenstoffs werden bei der Reaktion des thermoplastischen Werkstoffs 6 mit dem Silicium der Silicium - Partikel zu Siliciumcarbid in den gasförmigen Zustand überführt, sodass sie den Grünkörper durch entsprechendes Ausgasen verlassen können und ein Bauteil 10 mit einer SiC - Matrix 11 mit eingelagerten SiC - Fasern 8 entsteht.The green body out 1 is subjected to a heat treatment which is carried out at a temperature above the melting point of silicon and in which an external pressure can be exerted on the green body, wherein the pressure can preferably act on all sides of the green body. For example, the heat treatment can be carried out by hot isostatic pressing at a temperature above the melting temperature of the silicon particles 7th be performed. The heat treatment melts the silicon particles 7th and the silicon reacts with the thermoplastic material 6th so that a SiC matrix 11 is formed in which the SiC fibers 8th which were arranged in the green body are incorporated. The components of the thermoplastic material 6th and the glue 9 with the exception of the carbon are in the reaction of the thermoplastic material 6th With the silicon, the silicon particles are converted into silicon carbide in the gaseous state, so that they can leave the green body through appropriate outgassing and a component 10 with a SiC matrix 11 with embedded SiC fibers 8th arises.

Die 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Herstellung eines Bauteils 30 aus einem faserverstärkten Werkstoff mit einer SiC - Matrix 31. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird kein thermoplastischer Werkstoff mit eingelagerten Silicium - Partikeln verwendet, sondern in der ersten, dritten, fünften und siebten Schicht 21, 23, 25 und 27 des in 3 gezeigten Grünkörpers ist jeweils ein thermoplastischer Werkstoff 28 angeordnet, der als Träger für Silicium - Partikel 29 dient, die auf dem thermoplastischen Werkstoff 28 beispielsweise unter Zuhilfenahme eines zusätzlichen Klebstoffs angeordnet sind. Allerdings ist es auch möglich die Silicium - Partikel 29 direkt auf dem thermoplastischen Träger 28 durch Verbindung der Silicium - Partikel 29 mit dem thermoplastischen Werkstoff 28 anzuordnen.The 3 and 4th show a second exemplary embodiment for the production of a component according to the invention 30th made of a fiber-reinforced material with a SiC matrix 31 . In the second exemplary embodiment, no thermoplastic material with embedded silicon particles is used, but rather in the first, third, fifth and seventh layers 21st , 23 , 25th and 27 of the in 3 The green body shown is in each case a thermoplastic material 28 arranged as a carrier for silicon particles 29 serves on the thermoplastic material 28 are arranged for example with the aid of an additional adhesive. However, it is also possible to use the silicon particles 29 directly on the thermoplastic carrier 28 by connecting the silicon particles 29 with the thermoplastic material 28 to arrange.

Neben den ersten, dritten, fünften und siebten Schichten 21, 23, 25 und 27 sind in dem Grünkörper des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels eine zweite Schicht 22, eine vierte Schicht 24 und eine sechste Schicht 26 aus jeweils einer Gitterstruktur, einem Gewebe oder einem Geflecht 32 aus SiC - Fasern 33 und 34 angeordnet, wobei die SiC - Fasern 33 und 34 mit ihren Längsachsen im Wesentlichen senkrecht zueinander in dem Fasergeflecht 32 angeordnet sind.In addition to the first, third, fifth and seventh layers 21st , 23 , 25th and 27 are in the green body of the in 3 embodiment shown a second layer 22nd , a fourth layer 24 and a sixth layer 26th each of a lattice structure, a fabric or a mesh 32 made of SiC fibers 33 and 34 arranged with the SiC fibers 33 and 34 with their longitudinal axes essentially perpendicular to one another in the fiber braid 32 are arranged.

Auch der Grünkörper gemäß den zweiten Ausführungsbeispiel, der in 3 gezeigt ist, wird einer Wärmebehandlung unterzogen, die bei einer Temperatur ausgeführt wird, sodass die an den thermoplastischen Träger 28 anhaften Silicium - Partikel aufschmelzen und mit dem Kohlenstoff des thermoplastischen Werkstoffs 28 zu Siliciumcarbid reagieren. Auch hierbei kann ein entsprechender äußerer Druck, wie beispielsweise beim heißisostatischen Pressen, ausgeübt werden, um eine Verdichtung des Materials zu bewirken und ein weitgehend porenfreies Bauteil 30 zu erzeugen, wie es in 4 dargestellt ist. Beim Bauteil 30 ist wiederum eine SiC - Matrix vorgesehen, in die die Fasergeflechte 32 mit den senkrecht zueinander angeordneten SiC - Fasern 33 und 34 eingebettet sind.The green body according to the second exemplary embodiment, which is shown in FIG 3 is subjected to a heat treatment which is carried out at a temperature such that it adheres to the thermoplastic carrier 28 Adhering silicon particles melt and with the carbon of the thermoplastic material 28 react to form silicon carbide. Here, too, a corresponding external pressure can be exerted, for example during hot isostatic pressing, in order to bring about a compression of the material and a largely pore-free component 30th to generate as it is in 4th is shown. With the component 30th a SiC matrix is again provided in which the fiber braids 32 with the SiC fibers arranged perpendicular to one another 33 and 34 are embedded.

Anstelle der in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen gezeigten SiC - Fasern können auch andere Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern eingesetzt werden. Eine Möglichkeit besteht auch darin beschichtete Fasern 35 zu verwenden, von denen eine in einem Querschnitt in 5 gezeigt ist. Die beschichtete Faser 35 weist einen Faserkern 36, beispielsweise ebenfalls aus Siliciumcarbid auf, wobei um den Faserkern eine Beschichtung 37 aus einem anderen Material, wie beispielsweise BN, angeordnet ist.Instead of the SiC fibers shown in the previous exemplary embodiments, other fibers, such as carbon fibers, can also be used. One possibility is also coated fibers 35 to use, one of which in a cross-section in 5 is shown. The coated fiber 35 has a fiber core 36 , for example also made of silicon carbide, with a coating around the fiber core 37 made of a different material such as BN.

Anstelle der in den Ausführungsbeispielen 1 und 2 der 1 bis 4 gezeigten Anordnung von Fasern können auch andere Faseranordnungen gewählt werden und es ist auch eine andere Anordnung der einzelnen Schichten möglich, also beispielsweise eine Anordnung abweichend von der alternierenden Anordnung von Schichten aus einerseits einem organischen, insbesondere thermoplastischen Werkstoff mit Silicium - Partikeln und andererseits Fasern. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass während der Wärmebehandlung des Grünkörper eine Reaktion der Silicium - Partikel mit dem Kohlenstoff des organischen bzw. thermoplastischen Trägermaterials zu der SiC - Matrix erfolgen kann.Instead of in the embodiments 1 and 2 of 1 to 4th The arrangement of fibers shown, other fiber arrangements can also be selected and a different arrangement of the individual layers is also possible, for example an arrangement deviating from the alternating arrangement of layers made of an organic, in particular thermoplastic material with silicon particles on the one hand and fibers on the other. It only has to be ensured that a reaction of the silicon particles with the carbon of the organic or thermoplastic carrier material to form the SiC matrix can take place during the heat treatment of the green body.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkmale, die nur in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch bei anderen Ausführungsbeispielen oder nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen eingesetzt werden können.Although the present invention has been described in detail on the basis of the exemplary embodiments, it is obvious to the person skilled in the art that the invention is not limited to these exemplary embodiments, but rather that modifications are possible in such a way that individual features can be omitted or other types of combinations of features can be implemented without departing from the scope of protection of the appended claims. In particular, the present disclosure includes all combinations of the individual features shown in the various exemplary embodiments, so that individual features that are only described in connection with one exemplary embodiment can also be used in other exemplary embodiments or combinations of individual features that are not explicitly shown.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
erste Schichtfirst layer
22
zweite Schichtsecond layer
33
dritte Schichtthird layer
44th
vierte Schichtfourth layer
55
fünfte Schichtfifth layer
66
ThermoplastThermoplastic
77th
Silicium - PartikelSilicon particles
88th
SiC - FaserSiC fiber
99
Klebstoffadhesive
1010
BauteilComponent
1111
SiC - MatrixSiC matrix
2121st
erste Schichtfirst layer
2222nd
zweite Schichtsecond layer
2323
dritte Schichtthird layer
2424
vierte Schichtfourth layer
2525th
fünfte Schichtfifth layer
2626th
sechste Schichtsixth shift
2727
siebte Schichtseventh shift
2828
ThermoplastThermoplastic
2929
Silicium - PartikelSilicon particles
3030th
BauteilComponent
3131
SiC - MatrixSiC matrix
3232
FasergeflechtFiber braid
3333
erste Fasernfirst fibers
3434
zweite Fasernsecond fibers
3535
beschichtete Fasercoated fiber
3636
FaserkernFiber core
3737
FaserbeschichtungFiber coating

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Claims (11)

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus keramischen Faserverbundwerkstoffen, bei welchen Fasern (8;33,34) aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix (1 1;31) aus Siliciumcarbid eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (1,3,5;21,23,25,27) mit einem organische Werkstoff (6;28) und Silicium - Partikeln (7;29) und Schichten (2,4;22,24,26) mit Fasern (8;33,34) angeordnet und zu einem Grünkörper geformt werden, wobei anschließend der Grünkörper einer Wärmebehandlung oberhalb der Schmelztemperatur von Silicium unterzogen wird, bei der eine SiC - Matrix (11;31) gebildet wird, in der die Fasern (8;33,34) eingelagert sind.Method for the production of components from ceramic fiber composite materials, in which fibers (8; 33,34) made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix (1 1; 31) made of silicon carbide, characterized in that layers (1,3,5 ; 21,23,25,27) with an organic material (6; 28) and silicon particles (7; 29) and layers (2,4; 22,24,26) with fibers (8; 33,34) and are shaped into a green body, the green body then being subjected to a heat treatment above the melting temperature of silicon, in which a SiC matrix (11; 31) is formed in which the fibers (8; 33, 34) are embedded. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicium - Partikel (7;29) in dem organischen Werkstoff eingebettet und / oder auf dem organischen Werkstoff angeordnet sind.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the silicon particles (7; 29) are embedded in the organic material and / or are arranged on the organic material. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Werkstoff (6;28) ein thermoplastisches Polymer ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic material (6; 28) is a thermoplastic polymer. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Werkstoff (6;28) aus der Gruppe ausgewählt ist, die Wachse, Polyamide, Polyethylen und Polyolefine umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the organic material (6; 28) is selected from the group comprising waxes, polyamides, polyethylene and polyolefins. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (1,3,5;21,23,25,27) mit einem organische Werkstoff (6;28) und Silicium - Partikeln (7;29) und Schichten (2,4;22,24,26) mit Fasern (8;33,34) abwechselnd angeordnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that layers (1,3,5; 21,23,25,27) with an organic material (6; 28) and silicon particles (7; 29) and layers (2, 4; 22,24,26) with fibers (8; 33,34) are arranged alternately. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper in einer Form entsprechend der Form des herzustellenden Bauteils (10,30) hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the green body is produced in a shape corresponding to the shape of the component (10, 30) to be produced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus einem organischen Werkstoff und Si - Partikeln sowie den Fasern aus Kohlenstoff und / oder Keramik und / oder deren Bestandteile verklebt sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the layers made of an organic material and Si particles and the fibers made of carbon and / or ceramic and / or their components are glued together. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verkleben der Schichten aus einem organischen Werkstoff und Si - Partikeln sowie den Fasern aus Kohlenstoff und / oder Keramik und / oder von deren Bestandteilen ein Klebstoff (9) aus der Gruppe verwendet wird, die Wachse, insbesondere synthetische Wachse, Polyamide, Polyethylen und Polyolefine umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an adhesive (9) from the group is used to glue the layers made of an organic material and Si particles and the fibers made of carbon and / or ceramic and / or their constituents Waxes, in particular synthetic waxes, polyamides, polyethylene and polyolefins. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper während der Wärmebehandlung komprimiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the green body is compressed during the heat treatment. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als keramische Fasern Siliciumcarbid - Fasern und / oder beschichtete Siliciumcarbid - Fasern (35) verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that silicon carbide fibers and / or coated silicon carbide fibers (35) are used as ceramic fibers. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliciumcarbid - Fasern (35) mit einem Stoff aus der Gruppe beschichtet sind, die BN, Si3N4, SiC und C umfasst.Procedure according to Claim 10 , characterized in that the silicon carbide fibers (35) are coated with a substance selected from the group comprising BN, Si 3 N 4 , SiC and C.
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