DE102019207621A1 - PROCESS FOR PRODUCING A COMPONENT FROM A CERAMIC FIBER COMPOSITE MATERIAL WITH A MODIFIED SLIDING OR FRICTION SURFACE - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei bei dem Faserverbundwerkstoff Fasern (8) aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix (9) aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer eingebettet sind und wobei das Bauteil eine Oberfläche aufweist, von der zumindest ein Teil als Kontaktfläche zum mechanischen Kontakt mit einem Kontaktpartner ausgebildet ist, und wobei Festschmierstoffpartikel (10) in mindestens einem Oberflächenrandbereich des Bauteils angrenzend an die Kontaktfläche in die Matrix (9) eingelagert sind, wobei die Festschmierstoffpartikel (10) im Gefüge mit der Matrix und / oder den Fasern verzahnt oder dispergiert sind.

Figure DE102019207621A1_0000
The present invention relates to a component made of a fiber composite material and a method for producing the same, wherein in the fiber composite material fibers (8) made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix (9) made of ceramic and / or carbon and / or a polymer and wherein the component has a surface, of which at least a part is designed as a contact surface for mechanical contact with a contact partner, and wherein solid lubricant particles (10) are embedded in at least one surface edge region of the component adjacent to the contact surface in the matrix (9), the Solid lubricant particles (10) are interlocked or dispersed in the structure with the matrix and / or the fibers.
Figure DE102019207621A1_0000

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben, wobei bei dem Faserverbundwerkstoff Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff eingebettet sind.The present invention relates to a component made of a ceramic fiber composite material and a method for producing the same, wherein in the fiber composite material fibers made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix made of ceramic and / or carbon.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Faserverbundwerkstoffe, wie kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) und keramische Faserverbundwerkstoff, die im englischen auch als Ceramic Matrix Composites CMC bezeichnet werden, werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften in vielen Bereichen der Technik eingesetzt.Fiber composite materials such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and ceramic fiber composite materials, which are also referred to as Ceramic Matrix Composites CMC, are used in many areas of technology due to their excellent mechanical properties.

Keramische Faserverbundwerkstoffe, die neben keramischen Stoffen zur Bildung der Matrix und / oder der Fasern auch solche aus Kohlenstoff mit einschließen sollen, werden aufgrund ihrer guten Hochtemperatur - sowie Korrosionsbeständigkeit unter anderem bei Hochtemperaturanwendungen im Flugzeug - bzw. Flugtriebwerksbau verwendet. Verfahren zur effizienten Herstellung von möglichst dichten keramischen Faserverbundwerkstoffen, die in Gasturbinen oder Flugtriebwerken eingesetzt werden können, sind beispielsweise in dem europäischen Patent EP 1 999 288 B1 und der US - Patentanmeldung US 2018/0187560 A1 beschrieben.Ceramic fiber composite materials, which should also include those made of carbon in addition to ceramic materials for forming the matrix and / or fibers, are used, among other things, in high-temperature applications in aircraft or aircraft engine construction due to their good high temperature and corrosion resistance. Processes for the efficient production of ceramic fiber composite materials which are as dense as possible and which can be used in gas turbines or aircraft engines are for example in the European patent EP 1 999 288 B1 and the US patent application US 2018/0187560 A1 described.

Darüber hinaus gelangen auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, bei denen Kohlenstofffasern in einer Matrix aus einem Polymer bzw. Kunstharz eingebettet sind. In addition, carbon fiber-reinforced plastics are also used, in which carbon fibers are embedded in a matrix made of a polymer or synthetic resin.

Allerdings müssen Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen häufig mit Schutzschichten versehen werden, wenn die Faserverbundwerkstoffe bei mechanischem Kontakt mit anderen Bauteilen einem hohen Verschleiß unterliegen oder diesen bei benachbarten Bauteilen verursachen würden. Beispielsweise können bei Strömungsmaschinen, wie Gasturbinen oder Flugtriebwerken, hochbelastete Kontaktflächen vorliegen, wie z.B. an Laufschaufel, insbesondere an Laufschaufeldeckbändern oder Laufschaufel - Scheibe - Kontaktflächen, oder an dem den Strömungskanal umgebenden Gehäuse oder anderen Bauteilen, die gegeneinander anliegen.However, components made of fiber composite materials often have to be provided with protective layers if the fiber composite materials are subject to high wear in the event of mechanical contact with other components or if they would cause this in adjacent components. For example, in fluid flow machines, such as gas turbines or aircraft engines, highly stressed contact surfaces can exist, such as on moving blade, in particular on moving blade shrouds or moving blade - disk - contact surfaces, or on the housing surrounding the flow channel or other components that rest against one another.

Schutzschichten können jedoch bei zyklischer thermischer Beanspruchung oder Thermoschockbeanspruchung abplatzen, sodass die Schutzwirkung verloren geht und zudem die abgeplatzten Partikel Schädigungen in entsprechenden Maschinen bzw. Triebwerken verursachen können. Für einen dauerhaften und zuverlässigen Einsatz von Faserverbundwerkstoffen muss somit die Funktionalität der daraus hergestellten Bauteile über einen breiten Temperaturbereich sichergestellt werden. Darüber hinaus ist ein übermäßiger Verschleiß zu vermeiden, der die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile stark beschränken würde.Protective layers can, however, flake off in the event of cyclical thermal stress or thermal shock stress, so that the protective effect is lost and the flaked particles can also cause damage to the corresponding machines or engines. For permanent and reliable use of fiber composite materials, the functionality of the components made from them must be ensured over a wide temperature range. In addition, excessive wear must be avoided, which would severely limit the service life of the relevant components.

Entsprechend ist es beispielsweise aus dem US - Patent US 9 238 595 B2 bekannt, die Oberfläche von keramischen Faserverbundwerkstoffen zu glätten, um den Reibwiderstand zu verringern.It is corresponding, for example, from the US patent US 9 238 595 B2 known to smooth the surface of ceramic fiber composite materials in order to reduce the frictional resistance.

In der europäischen Patentanmeldung EP 2 535 182 A1 wird vorgeschlagen, bei einem Bauteil mit mehreren Gewebeschichten eine äußere Gewebeschicht zu perforieren und in die ausgestanzten Bereiche ein schmierendes Füllmaterial einzubringen. Ein derartiger Herstellungsprozess ist jedoch durch die zusätzlichen Herstellungsschritte aufwändig und das Füllmaterial kann leicht aus den ausgestanzten Ausnehmungen ausbrechen.In the European patent application EP 2 535 182 A1 it is proposed to perforate an outer fabric layer in a component with several fabric layers and to introduce a lubricating filler material into the punched-out areas. However, such a manufacturing process is complex due to the additional manufacturing steps and the filler material can easily break out of the punched-out recesses.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere einen keramischen Faserverbundwerkstoff, dessen Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und dessen Fasern ebenfalls aus Keramik und / oder Kohlenstoff gebildet sind, oder einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff bereitzustellen, der in seinen tribologischen Eigenschaften gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, wobei insbesondere Reibung und Verschleiß an entsprechenden Oberflächen dauerhaft verringert sind. Darüber hinaus soll ein derartiger Faserverbundwerkstoff effizient herstellbar sein und eine hohe Lebensdauer aufweisen.It is therefore the object of the present invention to provide a fiber composite material, in particular a ceramic fiber composite material, the matrix of which is made of ceramic and / or carbon and the fibers of which are also made of ceramic and / or carbon, or a carbon fiber-reinforced plastic that has tribological properties compared to the prior art the technology is improved, in particular friction and wear on corresponding surfaces are permanently reduced. In addition, such a fiber composite material should be able to be produced efficiently and have a long service life.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, welches die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst, sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for producing a component from a fiber composite material, which comprises the features of claim 1, and by a component having the features of claim 4. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims.

Die Erfindung schlägt zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffs vor, direkt bei der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs in der Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer, in die die Fasern des Faserverbundwerkstoffs eingebettet werden, zusätzlich zumindest in entsprechenden Oberflächenrandbereichen des herzustellenden Bauteils, die in mechanischen Kontakt, z.B. Reib - oder Gleitkontakt, mit Kontaktpartnern, wie Reib - bzw. Gleitpartnern, gelangen können, Festschmierstoffpartikel einzulagern, sodass der Festschmierstoff an den entsprechenden Kontaktflächen eines aus dem modifizierten Faserverbundwerkstoff gebildeten Bauteils vorliegt und eine Schmierung bereitstellen kann. Durch die direkte Einlagerung der Festschmierstoffpartikel in das Gefüge mit der Matrix und den Fasern wird eine sichere und feste Anordnung der Festschmierstoffpartikel und somit eine zuverlässige und dauerhafte Bereitstellung des Festschmierstoffs an Kontaktflächen des entsprechend hergestellten Bauteils gewährleistet. Außerdem ist die Herstellung gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht, da keine zusätzlichen Herstellschritte zur Aufbringung einer zusätzlichen Schutzschicht oder zur Vorbereitung eines Randbereichs des Bauteils zur Einbringung der Festschmierstoffpartikel vorgenommen werden müssen. Ferner besteht durch den Verzicht auf eine Beschichtung keine Gefahr von entsprechenden Abplatzungen der Schicht.In order to improve the tribological properties of a fiber composite material, the invention proposes, directly during the production of the fiber composite material in the matrix of ceramic and / or carbon and / or a polymer, in which the fibers of the fiber composite material are embedded, additionally at least in corresponding surface edge areas of the material to be produced Components that can come into mechanical contact, e.g. friction or sliding contact, with contact partners, such as friction or sliding partners, store solid lubricant particles so that the solid lubricant is present on the corresponding contact surfaces of a component formed from the modified fiber composite material and can provide lubrication. The direct embedding of the solid lubricant particles in the structure with the matrix and the fibers ensures a secure and solid arrangement of the solid lubricant particles and thus a reliable and permanent supply of the solid lubricant to the contact surfaces of the correspondingly manufactured component. In addition, the production is simplified compared to the prior art, since no additional production steps have to be carried out to apply an additional protective layer or to prepare an edge region of the component for the introduction of the solid lubricant particles. Furthermore, dispensing with a coating means that there is no risk of the layer flaking off.

Die Einbringung der Festschmierstoffpartikel erfolgt vor und / oder gleichzeitig mit der Anordnung des Matrixmaterials in einem Fasergebilde, z.B. durch Infiltration, wobei mit dem Fasergebilde die zur Verstärkung des Faserverbundwerkstoffs vorgesehenen Fasern bereitgestellt werden. Ein entsprechendes Fasergebilde kann beispielsweise als Fasergewebe, Fasergeflecht, Fasergewirk oder ähnliches bereitgestellt werden.The solid lubricant particles are introduced before and / or simultaneously with the arrangement of the matrix material in a fiber structure, e.g. by infiltration, the fibers provided for reinforcing the fiber composite material with the fiber structure. A corresponding fiber structure can be provided, for example, as a fiber fabric, fiber braid, fiber knitted fabric or the like.

Die Festschmierstoffpartikel können in dem Fasergebilde beschränkt auf die Oberflächenrandbereiche eingebracht werden, in denen ein mechanischer Kontakt, z.B. in Form eines Reib - oder Gleitkontakts, zu erwarten ist. Entsprechend kann eine lokal begrenzte Ausbildung von Oberflächenrandbereichen mit den Festschmierstoffpartikel verwirklicht werden.The solid lubricant particles can be incorporated in the fiber structure limited to the surface edge areas in which mechanical contact, e.g. in the form of frictional or sliding contact is to be expected. Correspondingly, a locally limited formation of surface edge regions with the solid lubricant particles can be realized.

Die Festschmierstoffpartikel können in den entsprechenden Oberflächenrandbereichen in unterschiedlicher Konzentration vorgesehen werden, also mit unterschiedlichem Volumenanteil, sodass Konzentrationsgradienten entlang der Oberfläche des Bauteils und / oder vertikal zur Oberfläche des Bauteils ausgebildet werden können. Beispielsweise kann der Volumenanteil der Festschmierstoffpartikel in dem Gefüge in den Oberflächenrandbereichen von einem inneren Bereich zur Oberfläche hin ansteigen.The solid lubricant particles can be provided in the corresponding surface edge areas in different concentrations, that is to say with different volume proportions, so that concentration gradients can be formed along the surface of the component and / or vertical to the surface of the component. For example, the volume fraction of the solid lubricant particles in the structure in the surface edge areas can increase from an inner area to the surface.

Die Ausbildung der Matrix kann durch unterschiedliche Verfahren verwirklicht werden. Angepasst an das gewählte Verfahren zur Ausbildung der Matrix um die Fasern bzw. in den Hohlräumen und Öffnungen des Fasergebildes kann die Einbringung der Festschmierstoffpartikel in die entsprechenden Oberflächenrandbereiche angepasst werden.The formation of the matrix can be realized by different methods. The introduction of the solid lubricant particles into the corresponding surface edge areas can be adapted to the selected method for forming the matrix around the fibers or in the cavities and openings of the fiber structure.

Beispielsweise ist es möglich die Abscheidung der Matrix aus der Gasphase vorzunehmen, z.B. durch chemische Dampfphasenabscheidung oder chemische Gasphaseninfiltration, wobei in diesem Fall die Festschmierstoffpartikel bereits im Fasergebilde, beispielsweise aus einem mit Harz verklebten Fasern ausgebildeten Fasergebilde, angeordnet sein können.For example it is possible to carry out the deposition of the matrix from the gas phase, e.g. by chemical vapor phase deposition or chemical gas phase infiltration, in which case the solid lubricant particles can already be arranged in the fiber structure, for example from a fiber structure made of fibers bonded with resin.

In dem Fasergebilde können auch Polymere zur anschließenden Pyrolyse, beispielsweise siliciumhaltige Polymere vorgesehen sein, wobei in den Oberflächenrandbereichen, in denen der Werkstoff entsprechend der Erfindung modifiziert werden soll, zusätzlich die Feststoffschmierpartikel angeordnet sind.Polymers for subsequent pyrolysis, for example silicon-containing polymers, can also be provided in the fiber structure, with the solid lubricant particles additionally being arranged in the surface edge areas in which the material is to be modified according to the invention.

Auch bei weiteren Infiltrationsverfahren, wie der Flüssiginfiltration, z.B. der Flüssigpolymerinfiltration oder der Infiltration über Schlicker oder Schmelzinfiltrationsverfahren, wie der Flüssigsiliciuminfiltration oder dergleichen, können die Festschmierstoffpartikel bereits im Fasergebilde vorgesehen sein, wobei zusätzlich weitere Bestandteile zur chemischen Reaktion mit dem infiltrierten Stoff zur Ausbildung der Matrix angeordnet sein können.Also in other infiltration processes, such as liquid infiltration, e.g. liquid polymer infiltration or infiltration via slurry or melt infiltration processes, such as liquid silicon infiltration or the like, the solid lubricant particles can already be provided in the fiber structure, with additional components for chemical reaction with the infiltrated substance to form the matrix.

Weitere Verfahren zur Ausbildung der Matrix, insbesondere einer Keramikmatrix sind die Elektrophorese oder Sinterverfahren, bei denen ebenfalls die Festschmierstoffpartikel bereits im Fasergebilde vorgesehen sein können, um in der sich ausbildenden Matrix eingelagert zu werden.Further methods for forming the matrix, in particular a ceramic matrix, are electrophoresis or sintering processes, in which the solid lubricant particles can also already be provided in the fiber structure in order to be embedded in the forming matrix.

Durch die Einlagerung der Festschmierstoffpartikel in das Gefüge aus einer Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einer organischen Matrix, insbesondere einem Polymer, und Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff wird eine feste Einbindung der Festschmierstoffpartikel in die Oberfläche des Bauteils bewirkt, wobei z.B. durch ungleichmäßige, dreidimensionale Grenzflächen zwischen den Festschmierstoffpartikeln und den Körnern der Matrix und / oder den Fasern insbesondere mit Vorsprüngen und Vertiefungen oder Hinterschneidungen sowie durch die Dispersion in der Matrix eine feste Einbindung der Festschmierstoffpartikel im Gefüge bewirkt wird.By embedding the solid lubricant particles in the structure of a matrix made of ceramic and / or carbon and / or an organic matrix, in particular a polymer, and fibers made of ceramic and / or carbon, the solid lubricant particles are firmly embedded in the surface of the component, whereby e.g. uneven, three-dimensional interfaces between the solid lubricant particles and the grains of the matrix and / or the fibers, in particular with protrusions and depressions or undercuts, and the dispersion in the matrix cause the solid lubricant particles to be firmly integrated in the structure.

Die eingebrachten Festschmierstoffpartikel können unterschiedlicher Art sein und sollen lediglich den für die beabsichtigten tribologischen Eigenschaften entsprechenden Schmierstoff bereitstellen. Beispielsweise können Bornitrid, insbesondere amorphes Bornitrid oder hexagonales Bornitrid, Metalloxide, wie Molybdänoxid oder Wolframoxid, sowie Chalkogene oder Graphit hierfür eingesetzt werden.The solid lubricant particles introduced can be of different types and are only intended to provide the lubricant appropriate for the intended tribological properties. For example, boron nitride, in particular amorphous boron nitride or hexagonal boron nitride, metal oxides such as molybdenum oxide or tungsten oxide, and chalcogens or graphite can be used for this purpose.

FigurenlisteFigure list

Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

  • 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, welches mit zwei anderen Bauteilen in mechanischem Kontakt ist,
  • 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß modifizierten Oberflächenrandbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils, wie es in 1 dargestellt ist,
  • 3 eine Darstellung eines Fasergebildes als Ausgangsmaterial für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils,
  • 4 eine Darstellung des Fasergebildes aus 3 nach Befüllen von Oberflächenrandbereichen mit Festschmierstoffpartikeln zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Bauteils und in
  • 5 eine Darstellung des fertig gestellten Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff, das modifizierte Oberflächenrandbereiche aufweist.
The accompanying drawings show in a purely schematic manner
  • 1 a representation of a component according to the invention which is in mechanical contact with two other components,
  • 2 a section through an inventive modified surface edge region of a component according to the invention, as shown in FIG 1 is shown
  • 3 a representation of a fiber structure as a starting material for the production of a component according to the invention,
  • 4th a representation of the fiber structure 3 after filling surface edge areas with solid lubricant particles to form a component according to the invention and in
  • 5 a representation of the finished component made of a fiber composite material that has modified surface edge areas.

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 einen Teil eines erfindungsgemäßen Bauteils 1, welches aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff gebildet ist und mit zwei weiteren Reib - bzw. Gleitpartnern 2 und 3 im Reib - bzw. Gleitkontakt ist. Entsprechend weist das Bauteil 1 eine erste Kontaktfläche 4, die im Kontakt mit dem ersten Reib - bzw. Gleitpartner 2 ist, und eine zweite Kontaktfläche 5 auf, die im Kontakt mit dem zweiten Reib - bzw. Gleitpartner 3 ist. Benachbart zu den Kontaktflächen 4, 5 sind Oberflächenrandbereiche 6 und 7 im Bauteil 1 ausgebildet, die aus einem gegenüber den restlichen Bereichen des Bauteils 1 modifizierten Werkstoff bestehen.The 1 shows part of a component according to the invention 1 , which is formed from a ceramic fiber composite material and with two further friction or sliding partners 2 and 3 is in frictional or sliding contact. The component has accordingly 1 a first contact surface 4th that are in contact with the first friction or sliding partner 2 is, and a second contact surface 5 those in contact with the second friction or sliding partner 3 is. Adjacent to the contact surfaces 4th , 5 are surface edge areas 6th and 7th in the component 1 formed from one opposite the remaining areas of the component 1 modified material.

In den Oberflächenrandbereichen 6 und 7 ist der keramische Faserverbundwerkstoff dahingehend modifiziert, dass in das Gefüge bestehend aus den die Matrix bildenden Keramikpartikeln und den Fasern Festschmierstoffpartikel eingelagert sind, die im Bereich der Kontaktflächen 4, 5 an der Oberfläche des Bauteils 1 vorliegen und dort zu einer Verbesserung des tribologischen Verhaltens, also des Reib - bzw. Gleitverhaltens zwischen den Reib - bzw. Gleitpartner 2 und 3 und dem Bauteil 1 an den Kontaktflächen 4 und 5 des Bauteils 1 beitragen. Beispielsweise können die Festschmierstoffpartikel hexagonales Bornitrid sein, das eine Schmierung an den Kontaktflächen 4 und 5 bereitstellt und somit eine Verbesserung des Gleitverhaltens der Kontaktflächen 4 und 5 bewirkt.In the surface edge areas 6th and 7th the ceramic fiber composite material is modified in such a way that solid lubricant particles are embedded in the structure consisting of the ceramic particles forming the matrix and the fibers in the area of the contact surfaces 4th , 5 on the surface of the component 1 exist and there to improve the tribological behavior, that is to say the friction or sliding behavior between the friction or sliding partners 2 and 3 and the component 1 at the contact surfaces 4th and 5 of the component 1 contribute. For example, the solid lubricant particles can be hexagonal boron nitride, which lubricates the contact surfaces 4th and 5 and thus an improvement in the sliding behavior of the contact surfaces 4th and 5 causes.

Die 2 zeigt einen Schnitt durch einen Oberflächenrandbereich 6, 7 des Bauteils 1, wobei in der Schnittansicht zum einen die Fasern 8 und zum anderen die Keramikkörner 9 des keramischen Faserverbundwerkstoffs zu sehen sind. In das Gefüge aus der Keramikmatrix 9 und den Fasern 8 sind Festschmierstoffpartikel 10 eingelagert, sodass beim Kontakt des Bauteils 1 an der Kontaktfläche 4, 5 mit einem Gleit - bzw. Reibpartner 2, 3 die Festschmierstoffpartikel 10 an der Oberfläche den Festschmierstoff in den Spalt zwischen der Kontaktfläche 4, 5 des Bauteils 1 und des Reib - bzw. Gleitpartners 2, 3 abgeben. Dadurch kann das tribologische Verhalten bzw. das Kontaktverhalten eines entsprechend modifizierten Bauteils 1 verbessert werden.The 2 shows a section through a surface edge area 6th , 7th of the component 1 , with the fibers in the sectional view 8th and on the other hand the ceramic grains 9 of the ceramic fiber composite material can be seen. In the structure of the ceramic matrix 9 and the fibers 8th are solid lubricant particles 10 stored so that when the component comes into contact 1 at the contact surface 4th , 5 with a sliding or friction partner 2 , 3 the solid lubricant particles 10 the solid lubricant on the surface in the gap between the contact surface 4th , 5 of the component 1 and the friction or sliding partner 2 , 3 submit. This enables the tribological behavior or the contact behavior of a correspondingly modified component 1 be improved.

Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Stadien bei einer Ausführungsform der Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs mit modifizierten Oberflächenrandbereichen gemäß der Erfindung.The 3 to 5 show different stages in an embodiment of the production of a fiber composite material with modified surface edge regions according to the invention.

Zunächst wird ein Fasergebilde 11 bereitgestellt, wie in 3 dargestellt, welches die Fasern umfasst, die in dem zu bildenden Faserverbundwerkstoff die Faserverstärkung bereitstellen sollen. Das Fasergebilde 11 kann durch ein Gewebe oder eine sonstige Faseranordnung, wie ein Geflecht oder Gewirk, bei dem die Fasern vorzugsweise über ein Harz miteinander verklebt sind, bereitgestellt werden, wobei das Fasergebilde kein dichtes Gebilde darstellt, sondern eine Vielzahl von Hohlräumen und Poren umfasst, in denen nachfolgend die Keramikmatrix ausgebildet wird. Die Fasern selbst können ebenfalls aus Keramik sein, wobei Kohlenstoff für die vorliegende Darstellung der Erfindung unter dem Begriff der Keramik fallen soll. Entsprechend kann das Fasergebilde aus einer Vielzahl von Kohlenstofffasern und / oder Keramikfasern, wie beispielsweise SiC-Fasern bestehen, um die herum eine Matrix aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer gebildet wird.First is a fiber structure 11 provided as in 3 shown, which comprises the fibers that are to provide the fiber reinforcement in the fiber composite material to be formed. The fiber structure 11 can be provided by a woven fabric or some other fiber arrangement, such as a braid or knitted fabric, in which the fibers are preferably glued to one another via a resin, the fiber structure not being a dense structure but rather comprising a multitude of cavities and pores in which the following the ceramic matrix is formed. The fibers themselves can also be made of ceramic, carbon for the present description of the invention falling under the term of ceramic. Correspondingly, the fiber structure can consist of a large number of carbon fibers and / or ceramic fibers, such as SiC fibers, for example, around which a matrix of ceramic and / or carbon and / or a polymer is formed.

Gemäß der Darstellung in 4 werden bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in die Oberflächenrandbereiche 12 und 13 des Fasergebildes 11, die benachbart zu den Kontaktoberflächen 14 und 15 sind, Festschmierstoffpartikel eingefüllt, sodass bei der nachfolgenden Herstellung der Matrix diese nicht nur die Fasern des Fasergebildes 11 umschließt, sondern auch die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 vorliegenden Festschmierstoffpartikel.As shown in 4th are in the embodiment shown in the surface edge areas 12 and 13 of the fiber structure 11 that are adjacent to the contact surfaces 14th and 15th are filled with solid lubricant particles, so that during the subsequent production of the matrix these not only the fibers of the fiber structure 11 encloses, but also those in the surface edge areas 12 and 13 present solid lubricant particles.

Neben den Festschmierstoffpartikeln, die nur in den Oberflächenrandbereichen 12, 13 vorgesehen werden, können im gesamten Fasergebilde weitere Stoffe, wie beispielsweise Keramikpartikel, in dem Fasergebilde 11 angeordnet werden, um beispielsweise durch einen Sinterprozess die Keramikmatrix aus den Keramikpartikeln zu bilden, wobei die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 zusätzlich vorgesehenen Festschmierstoffpartikel in die Keramikmatrix eingelagert werden.In addition to the solid lubricant particles, which are only found in the surface edge areas 12 , 13 are provided, further substances, such as ceramic particles, in the fiber structure can be provided in the entire fiber structure 11 be arranged to for example, to form the ceramic matrix from the ceramic particles by a sintering process, the in the surface edge areas 12 and 13 additionally provided solid lubricant particles are embedded in the ceramic matrix.

Alternativ ist es auch möglich, Ausgangsstoffe für die anschließende Bildung der Matrix in dem Fasergebilde 11 anzuordnen, um beispielsweise durch eine nachfolgende Pyrolyse oder chemische Reaktion mit einem schmelzflüssig oder gasförmig infiltrierten Stoff wiederum die Matrix zu bilden. Auch in diesem Fall werden die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 vorgesehenen Festschmierstoffpartikel in die entsprechende Matrix eingelagert.Alternatively, it is also possible to use starting materials for the subsequent formation of the matrix in the fiber structure 11 to be arranged in order to form the matrix again, for example by a subsequent pyrolysis or chemical reaction with a molten or gaseous infiltrated substance. In this case too, those in the surface edge areas 12 and 13 provided solid lubricant particles embedded in the corresponding matrix.

Gleiches gilt für eine mögliche Abscheidung des Keramikmaterials über die Dampfphase, bei der mittels chemischer Dampfphasenabscheidung oder chemischer Dampfphaseninfiltration das Keramikmaterial in den Freiräumen des Fasergebildes 11 gebildet wird und dabei die in den Oberflächenrandbereichen 12 und 13 bereitgestellten Festschmierstoffpartikel in der Matrix mit eingeschlossen werden.The same applies to a possible deposition of the ceramic material via the vapor phase, in which the ceramic material in the free spaces of the fiber structure by means of chemical vapor phase deposition or chemical vapor phase infiltration 11 is formed and that in the surface edge areas 12 and 13 provided solid lubricant particles are included in the matrix.

Die 5 zeigt ein entsprechend fertig gestelltes Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff 18, welches Oberflächenrandbereiche 16 und 17 mit in der Keramikmatrix und / oder den Fasern eingelagerten Festschmierstoffpartikeln aufweist, die das Gleitverhalten verbessern und / oder den Verschleiß in den Kontaktoberflächen 14 und 15 wesentlich verringern.The 5 shows a correspondingly finished component made of a ceramic fiber composite material 18th which surface edge areas 16 and 17th with solid lubricant particles embedded in the ceramic matrix and / or the fibers, which improve the sliding behavior and / or the wear in the contact surfaces 14th and 15th reduce significantly.

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
BauteilComponent
22
Reib - bzw. GleitpartnerFriction or sliding partner
33
Reib - bzw. GleitpartnerFriction or sliding partner
44th
KontaktflächeContact area
55
KontaktflächeContact area
66
OberflächenrandbereichSurface edge area
77th
OberflächenrandbereichSurface edge area
88th
FasernFibers
99
Keramikkörner bzw. KeramikmatrixCeramic grains or ceramic matrix
1010
FestschmierstoffpartikelSolid lubricant particles
1111
FasergebildeFiber structures
1212
OberflächenrandbereichSurface edge area
1313
OberflächenrandbereichSurface edge area
1414th
KontaktflächeContact area
1515th
KontaktflächeContact area
1616
OberflächenrandbereichSurface edge area
1717th
OberflächenrandbereichSurface edge area
1818th
keramischer Faserverbundwerkstoffceramic fiber composite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 1999288 B1 [0003]EP 1999288 B1 [0003]
  • US 2018/0187560 A1 [0003]US 2018/0187560 A1 [0003]
  • US 9238595 B2 [0007]US 9238595 B2 [0007]
  • EP 2535182 A1 [0008]EP 2535182 A1 [0008]

Claims (8)

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, bei welchen Fasern (8) aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix (9) aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer eingebettet sind, wobei mindestens ein Fasergebilde (11) aus den Fasern aus Keramik und / oder Kohlenstoff bereitgestellt wird, wobei Matrixmaterial oder Ausgangsmaterial für Matrixmaterial so in und / oder an dem Fasergebilde angeordnet wird, dass die Matrix aus dem Matrixmaterial oder dem Ausgangsmaterial gebildet werden kann, sodass die Fasern (8) des Fasergebildes in der Matrix (9) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass vor und / oder gleichzeitig mit der Anordnung des Matrixmaterials oder des Ausgangsmaterials für die Matrix Festschmierstoffpartikel (10) in oder an mindestens einem Oberflächenrandbereich (12,13) des Fasergebildes (11) angeordnet werden, sodass bei der Ausbildung der Matrix (9) die Festschmierstoffpartikel (10) in dem mindestens einem Oberflächenrandbereich des Bauteils angrenzend an eine Oberfläche des Bauteils eingelagert sind.Process for the production of components made of fiber composite materials, in which fibers (8) made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix (9) made of ceramic and / or carbon and / or a polymer, with at least one fiber structure (11) made of the fibers made of ceramic and / or carbon, the matrix material or starting material for matrix material being arranged in and / or on the fiber structure so that the matrix can be formed from the matrix material or the starting material so that the fibers (8) of the fiber structure in the matrix (9) are embedded, characterized in that before and / or simultaneously with the arrangement of the matrix material or the starting material for the matrix, solid lubricant particles (10) are arranged in or on at least one surface edge area (12, 13) of the fiber structure (11) so that when the matrix (9) is formed, the solid lubricant particles (10) in the at least one surface edge region cal of the component are embedded adjacent to a surface of the component. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Matrix (9) durch eines oder mehrere Verfahren aus der Gruppe durchgeführt wird, die die Abscheidung aus der Gasphase, die chemische Dampfphasenabscheidung, die chemische Gasphaseninfiltration, die Pyrolyse von Polymeren, die Pyrolyse von Si - haltigen Polymeren, Infiltrationsverfahren, Schmelzinfiltrationsverfahren, Flüssigsiliciuminfiltration, die Flüssigpolymerinfiltration, Elektrophorese, Schlickerverfahren und Sinterverfahren umfasst.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the formation of the matrix (9) is carried out by one or more processes from the group consisting of the deposition from the gas phase, the chemical vapor phase deposition, the chemical gas phase infiltration, the pyrolysis of polymers, the pyrolysis of Si-containing polymers , Infiltration method, melt infiltration method, liquid silicon infiltration which includes liquid polymer infiltration, electrophoresis, slip method, and sintering method. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel (10) ausgewählt sind aus der Gruppe, die Bornitrid, amorphes Bornitrid, hexagonales Bornitrid, Graphit, Chalkogene, Metalloxide, Molybdänoxid und Wolframoxid umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the solid lubricant particles (10) are selected from the group comprising boron nitride, amorphous boron nitride, hexagonal boron nitride, graphite, chalcogens, metal oxides, molybdenum oxide and tungsten oxide. Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei dem Faserverbundwerkstoff Fasern (8) aus Keramik und / oder Kohlenstoff in einer Matrix (9) aus Keramik und / oder Kohlenstoff und / oder einem Polymer eingebettet sind, wobei das Bauteil (1) eine Oberfläche aufweist, von der zumindest ein Teil als Kontaktfläche (4,5;14,15) zum mechanischen Kontakt mit einem Kontaktpartner (2,3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Festschmierstoffpartikel (10) in mindestens einem Oberflächenrandbereich (6,7; 16,17) des Bauteils angrenzend an die Kontaktfläche (4,5;14,15) in die Matrix (9) eingelagert sind, wobei die Festschmierstoffpartikel (10) im Gefüge mit der Matrix und / oder den Fasern verzahnt oder dispergiert sind.Component made of a fiber composite material, in particular produced by the method according to one of the Claims 1 to 3 , wherein in the fiber composite material fibers (8) made of ceramic and / or carbon are embedded in a matrix (9) made of ceramic and / or carbon and / or a polymer, the component (1) having a surface of which at least a part is designed as a contact surface (4,5; 14,15) for mechanical contact with a contact partner (2,3), characterized in that solid lubricant particles (10) in at least one surface edge area (6,7; 16,17) of the component adjoin the contact surface (4,5; 14,15) are embedded in the matrix (9), the solid lubricant particles (10) being interlocked or dispersed in the structure with the matrix and / or the fibers. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel (10) durch ungleichmäßige, dreidimensional Grenzflächen mit Vorsprüngen und Vertiefungen oder Hinterschneidungen mit der umgebenden Matrix und / oder den Fasern fest gehalten sind.Component after Claim 4 , characterized in that the solid lubricant particles (10) are firmly held with the surrounding matrix and / or the fibers by uneven, three-dimensional interfaces with projections and depressions or undercuts. Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel (10) im Oberflächenrandbereich (6,7; 16,17) des Bauteils (1) über den Oberflächenrandbereich (6,7;16,17) mit unterschiedlichem Volumenanteil enthalten sindComponent after Claim 4 or 5 , characterized in that the solid lubricant particles (10) are contained in the surface edge area (6,7; 16,17) of the component (1) over the surface edge area (6,7; 16,17) with different volume proportions Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gradient des Volumenanteils der Festschmierstoffpartikel (10) mit zunehmendem Volumenanteil der Festschmierstoffpartikel (10) in der Matrix (9) in Richtung der Oberfläche und / oder ein Gradient des Volumenanteils der Festschmierstoffpartikel (10) in der Matrix (9) entlang der Oberfläche des Bauteils (1) vorliegt.Component after Claim 6 , characterized in that a gradient of the volume fraction of the solid lubricant particles (10) with increasing volume fraction of the solid lubricant particles (10) in the matrix (9) in the direction of the surface and / or a gradient of the volume fraction of the solid lubricant particles (10) in the matrix (9) is present along the surface of the component (1). Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffpartikel (10) ausgewählt sind aus der Gruppe, die Bornitrid, amorphes Bornitrid, hexagonales Bornitrid, Graphit, Chalkogene, Metalloxide, Molybdänoxid und Wolframoxid umfasst.Component according to one of the Claims 4 to 7th , characterized in that the solid lubricant particles (10) are selected from the group comprising boron nitride, amorphous boron nitride, hexagonal boron nitride, graphite, chalcogens, metal oxides, molybdenum oxide and tungsten oxide.
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