DE102020130656A1

DE102020130656A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs und nach diesem Verfahren hergestellter keramischer Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102020130656A1
Application number: DE102020130656.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: HSIEH CHIN LONG
Current assignee: HSIEH CHIN LONG
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US11952318B2; US20210171411A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs und einen nach diesem Verfahren hergestellten keramischen Verbundwerkstoff (A), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Auswählen eines SiC-Pulvers (11) aus Pulverpartikeln mit einem bestimmten Schlankheitsgrad und einer bestimmten Korngröße als SiC-basiertes Rohstoffpulver; Vermischen des ausgewählten SiC-Rohstoffpulvers (11) mit PVA und Auftragen einer PVA-Beschichtung (12) auf die Oberfläche der Partikel des SiC-Pulvers (11), sodass die PVA-Beschichtung und die Partikel des SiC-Pulvers zu einem feinkörnigen keramischen Rohstoff (10) kombiniert werden; Formen eines Grünkörpers (30) eines keramischen Matrixmaterials aus dem feinkörnigen keramischen Rohstoff (10) unter Druck; Sintern und Festigen des Grünkörpers (30) und Abkühlen des gesinterten Grünkörpers(30) derart, dass am Grünkörper (30) ununterbrochene Hohlräume entstehen, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers (30) in Verbindung stehen; und Infiltrieren des Grünkörpers (30) mit flüssigem Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit und Druckgießen des Grünkörpers (30), um einen keramischen Verbundwerkstoff (A) herzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs und einen nach diesem Verfahren hergestellten keramischen Verbundwerkstoff, insbesondere einen keramischen Verbundwerkstoff mit geringem Gewicht, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Starrheit, hoher Zähigkeit und einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten.
Stand der Technik
Die poröse Siliziumkarbid (SiC) -basierte Keramik findet aufgrund ihrer hervorragenden Stärke bei Hochtemperatur, ihrer chemischen Stabilität, ihrer hohen Wärmeschockbeständigkeit und ihrer hohen Oxidationsbeständigkeit eine breite Anwendung. SiC- basierte Werkstoffe sind nichtmetallische Werkstoffe aus kristallinem Pulver, wobei in der Kristallstruktur keine freien Elektronen vorhanden sind, sodass SiC- basierte Werkstoffe über eine hervorragende Isolationseigenschaft verfügen. Die Wärmeleitung von Siliziumkarbid(SiC) erfolgt durch Phononen. Bei unversehrten Kristallgittern wird die Wärmeleitfähigheit desto höher, je größer die mittlere freie Weglänge der Phononen ist. SiC-basierte keramische Kühlkörper sind wärme- und kälteschockbeständig und werden nicht leicht von der Umgebungstemperatur beeinflusst. Aufgrund der hohen Porosität und der Wärmeableitung durch Strahlung verfügen die keramischen Kühlkörper über eine hohe Leistungsfähigkeit der Wärmeableitung. Beispielsweise stellen keramische Kühlbleche solche Kühlkörper dar, die in einem Verfahren zur Herstellung einer porösen Keramik mit ununterbrochenen Poren so hergestellt werden, dass sie leicht und dünn sind und über eine hervorragende Leistungsfähigkeit der Wärmeableitung verfügen.
Allgemein hängt die Leistungsfähigkeit einer porösen Keramik nicht nur von dem Material selbst, sondern auch von der Mikrostruktur der porösen Keramik ab. Die strukturellen Eigenschaften der Poren der porösen Keramik, z.B. der Durchmesser der Poren, die Verteilung der Poren und die Ausrichtung der Poren, können alle durch das Herstellungsverfahren gesteuert werden. Deshalb hat das Herstellungsverfahren einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der porösen SiC-Keramik. In der Regel umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer porösen SiC-Keramik folgende Schritte: Mischen von Materialien, Formen und Sintern (siehe Advanced Ceramics, 2017, 38(6): 412-425). Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer porösen Keramik wird ein Porenbildner (ein organischer Stoff) einem Keramikwerkstoff hinzugegeben, um den Keramikwerkstoff in dem Prozess der Formung unter Hochdruck zu stützen. In dem Prozess der Sinterung mit Hochtemperatur schwindet der organische Stoff durch Brennen, wobei an den Stellen der abgebrannten Teile in der Keramik feine Poren entstehen.
In der Patentschrift CN104072190B sind mehrere herkömmliche Techniken zur Herstellung einer porösen SiC-Keramik genannt worden, wobei zu diesen Techniken das Hinzugeben von Schäumungsstoffen und Schäumen, das Imprägnieren offenzelliger Polymerschäume mit keramischen Schlämmen und der Sol-Gel-Prozess gehören. Jedoch bestehen bei den nach diesen Verfahren hergestellten porösen KeramikenfolgendeMängel, nämlich, dass eine hohe Porosität und eine hohe Festigkeit nicht gleichzeitig erhalten werden können (Bei den nach dem Verfahren zur Imprägnierung offenzelliger Polymerschäume mit keramischen Schlämmen hergestellten porösen SiC-Keramiken kann die durchschnittliche Porosität beispielsweise 70∼80% erreichen, aber die Festigkeit ist kleiner als 10MPa), dass die Porenform nicht kontrollierbar ist und dass die spezifische Oberfläche zu klein ist.
Um die oben genannten Mängel, nämlich die geringe Porosität und die geringe Kontrollierbarkeit der Porenform, zu beheben, ist in der CN104072190B vorgeschlagen worden, dass im Massenverhältnis 2,5∼8,8% Al₂O₃ als Brennhilfsmittel, 55∼80% schwarzgrünes SiC-Feinpulver in Nanometer als Matrixmaterial, 10∼35% PMMA(Polymethylmethacrylat)-Mikropulver als Porenbildner und 1,2∼7,5% Phenolharz als Bindemittel bereitgestellt werden. Das Brennhilfsmittel, das Matrixmaterial und das Bindemittel werden in einer Kugelmühle für 8-12 Stunden gemischt. Weiter werden dieses Pulver-Gemisch und der Porenbildner in eine Mischmaschine gegeben, für 10-30 Minuten vermischt und schließlich trockengepresst.
In der Patentschrift CN1187291C wird Hefe als Porenbildner verwendet. Die zur Herstellung einer Keramik bereitgestellten Materialien werden zu einem Schlicker gemischt. Die Hefe wird in sechs Gradienten von 30 bis 300 Maschen nach Korngröße aufgeteilt. Die Hefe wird mit dem Schlicker gemischt. Das Gemisch wird zu trockenem Pulver getrocknet und unter einem Druck von 20~100MPa trockengepresst. Weiter wird das trockengepresste Gemisch bei 1100~1350°C gesintert und für 1 bis 5 Stunden warm gehalten. Auf diese Weise wird eine poröse SiC-Keramik mit Poren mit unterschiedlichem Porendurchmesser hergestellt.
Aus der Patentanmeldungsveröffentlichung CN106588085A is ein Verfahren zur Herstellung einer porösen SiC-Keramik bekannt, welches Verfahren darauf abzielt, die bei den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer porösen SiC-Keramik vorhandenen Probleme, nämlich die geringe Kontrollierbarkeit bei der Verteilung und Größe des Porendurchmessers der porösen Keramik, die verhältnismäßig kleine spezifische Oberfläche und die geringe mechanische Festigkeit, zu lösen. Hierbei wird deionisiertes Wasser eingesetzt, um Weizenmehl und Hefe gleichmäßig zu vermischen und zu einem Teig zu knetten. Der Teig gärt zuerst bei konstanter Temperatur und wird danach eingefroren und getrocknet, wodurch ein poröser Teig erhalten wird. Der poröse Teigwird karbonisiert, wodurch ein poröses Kohlenstoff gerüst erhalten wird. Das poröse Kohlenstoffgerüst wird auf eine reaktive Siliconquelle aufgesetzt, um gesintert und weiter auf die Raumtemperatur abgekühlt zu werden. Auf diese Weise wird eine wärmebeständige poröse SiC-Keramik hergestellt.
Das aus der Patentschrift CN104193395B bekannte Verfahren zur Herstellung einer porösen SiC-Keramik zeichnet sich durch die Festlegung des Verhältnisses der Bestandteile aus. Hierbei wird das Verhältnis des ausdehnbaren Graphits, des metallischen Siliconpulvers und des organischen Bindemittels so festgelegt, dass sich Siliziumkarbid(SiC) als Haupt-Reaktant ergibt. Des Weiteren wird die Dichte des Gemisches aus dem ausdehnbaren Graphit, dem metallischen Siliconpulver und dem organischen Bindemittel kontrolliert. Dadurch kann eine präzise Kontrolle über die Porosität der porösen SiC-Keramik realisiert werden, sodass ein poröses SiC-basiertes, keramisches Produkt mit einer Porosität von 40∼80% hergestellt werden kann. Bei diesem Herstellungsverfahren ist die Porosität kontrollierbar und die Poren sind gleichmäßig verteilt.
Bei den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer porösen SiC-Keramik erfolgt das Mischen benötigter Materialien wie folgt: Das SiC-Pulver wird mit weiteren Materialien (z.B. Bindemittel, Porenbildner), die je nach dem ausgewählten Herstellungsverfahren benötigt sind, vermischt. Das Gemisch wird als ein keramischer Rohstoff passender Größe hergestellt. Diese Technik wird Granulierung genannt, die in eine Trockengranulierung und eine Feuchtgranulierung aufgeteilt ist, wobei die Feuchtgranulierung eine breite Anwendung bei der Herstellung keramischer Rohstoffe findet. Da bei der Feuchtgranulierung eine Zugabe von Wasser und einer großen Menge von Lösungsmittel oder Bindemittel erforderlich ist, muss eine Trocknung nach der Granulierung durchgeführt werden. Bei der Trockengranulierung ist keine Zugabe von Wasser oder Lösungsmittel, aber eine Zugabe von Bindemittel beim Drehen der Pulmischung mit hoher Geschwindigkeit erforderlich, sodass die Feuchtigkeit deutlich geringer als die bei der Feuchtgranulierung ist und die Zeit für die Trocknung aus diesem Grund deutlich kürzer ist. Die Parameter für die Trockengranulierung sind strenger als die für die Feuchtgranulierung und der Erhalt der Eigenschaften der Rohstoffe bei der Trockengranulierung erfordert einen größeren Aufwand. Bei der Trockengranulierung ist keine Zugabe von umweltschädlichen Stoffen, z.B. Dispergator, Verbesserer und Weichmacher, erforderlich und die Trocknung erfordert im Vergleich zu der Feuchtgranulierung einen kleineren Zeitaufwand und dadurch einen geringeren Energeiverbrauch. Die durch Trockengranulierung erzeugten Fertigprodukte sind hoch einheitlich und besitzen gute Fliesseigenschaften. Die durch Trockengranulierung erzeugten Fertigprodukte zeichnen sich dadurch aus, dass die Porosität und die Größe der Hohlräume bei dem Formen unter Hochdruck kontrolliert werden können, sodass ununterbrochene Hohlräume, die untereinander mit der Umgebung des Grünkörpers in Verbindung stehen, entstehen.
Die herkömmlichen gewichtsreduzierten, hoch wärmeleitfähigen keramischen Verbundwerkstoffe werden im Wesentlichen durch Schwerkraftgießen hergestellt. Dieauf 1000°C erwärmte Keramikscheibe wird in eine Form für das Schwerkraftgießen eingelegt. Weiter wird Aluminiumwasser in die Form eingeleitet, um das Druckgießverfahren durchzuführen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs und einen nach diesem Verfahren hergestellten keramischen Verbundwerkstoff zu schaffen, durch welches Verfahren die Mängel, nämlich die geringe Stabilität des Herstellungsprozesses und die geringe Gutmenge bei der Produktion, behoben werden können.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen keramischen Verbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs umfasst folgende Schritte:

Verteilen der Partikel und Auswählen: Auswählen eines SiC-Pulvers aus Pulverpartikeln mit einem Schlankheitsgrad von 1:0, 75~1:0,90 und
einer Korngröße von 3∼15µm als SiC-basiertes Rohstoffpulver;
Granulieren: Vermischen des ausgewählten SiC-Rohstoffpulvers mit Polyvinylalkohol (PVA) und Auftragen einer PVA-Beschichtung auf die Oberfläche der Partikel des SiC-Pulvers, sodass die PVA-Beschichtung und die Partikel des SiC-Pulvers zu einem feinkörnigen keramischen Rohstoff kombiniert werden;
Formen unter Druck: Formen eines Grünkörpers eines keramischen Matrixmaterials aus dem feinkörnigen keramischen Rohstoff unter Einsatz von Druck;
Sintern: Sintern und Festigen des Grünkörpers eines keramischen Matrixmaterials und Abkühlen des gesinterten Grünkörpers derart, dass an dem Grünkörper ununterbrochene Hohlräume entstehen, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers in Verbindung stehen; und
Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit: Einlegen des Grünkörpers eines keramischen Matrixmaterials in eine gleichförmige Form mit einer vorbehaltenen Oberflächendicke, Erwärmen der Formbis zu einem Zustandmit konstanter Temperatur und Infiltrieren des Grünkörpers eines keramischen Matrixmaterials mit flüssigem Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit und Druckgießen des Grünkörpers, um einen keramischen Verbundwerkstoff herzustellen.

Bevorzugt wird bei dem Schritt „Verteilen der Partikel und Auswählen“ das SiC-Pulver nach Korngröße in mehrere Korngrößen verteilt und nach Bedarf des zu fertigenden Produkts wird das SiC-Pulver der gewünschten Korngröße als SiC-Rohstoffpulver ausgewählt.
Bevorzugt liegt die Korngrößenzahl bei zehn.
Bei dem Schritt „Granulieren“ liegt das Gewichtsprozent des PVA bevorzugt bei 0,1∼0,8 Gew.-% des gesamten feinkörnigen keramischen Rohstoffs.
Bei der Granulierung wird bevorzugt das ausgewählte SiC-Rohstoffpulver mittels eines Schaufelrührers mit hoher Geschwindigkeit so umgerührt, dass das SiC-Pulver aufgewirbelt wird. Weiter wird der PVA mittels einer Hochdruck-Rohrschlange gleichmäßig aufgesprüht und diffundierend mit dem ausgewählten SiC-Rohstoffpulver zu dem genannten feinkörnigen keramischen Rohstoff kombiniert.
Bei dem Schritt „Formen unter Druck“ beträgt der Formungsdruck bevorzugt 300-1.500 kg/cm².
Bevorzugt wird der unter Druck geformte Grünkörper eines keramischen Matrixmaterials für 24 Stunden ruhen gelassen und anschließend gesintert.
Bei dem Schritt des Sinterns wird bevorzugt der Grünkörper eines keramischen Matrixmaterials nach dem vorbestimmten Ablauf der Temperaturreglung im Bereich von 1.050°C~1.450°C gesintert und gefestigt.
Bei dem Schritt des Sinterns wird bevorzugt der Grünkörper eines keramischen Matrixmaterials in einer Phase der Temperaturerhöhung für 8 bis 12 Stunden auf eine vorbestimmte Sintertemperatur erwärmt, weiter bei der genannten Sintertemperatur für 2 bis 8 Stunden gesintert und schließlich für 6 bis 8 Stunden auf die Raumtemperatur abgekühlt.
Bei dem Schritt „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ wird die Form vorzugsweise bei einer konstanten Temperatur im Bereich von 200°C∼600°C erwärmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs und der erfindungsgemäße, nach diesem Verfahren hergestellte keramische Verbundwerkstoff weisen folgende Vorteile auf: Erfindungsgemäß wird ein SiC-Pulver aus Pulverpartikeln mit einem bestimmten Schlankheitsgrad und einer bestimmten Konrgröße als SiC-Rohstoffpulver ausgewählt, wobei die Form der Pulverpartikel durch diffundierendes Granulieren mit hoher Geschwindigkeit vollständig erhalten wird, sodass die Pulverpartikel abriebfest werden. Die unter Druck geformten SiC-Pulverpartikel werden mittels PVA aneinander geklebt, wobei der PVA hierbei eine Überbrückung für die SiC-Pulverpartikel bewirkt, sodass ununterbrochene Hohlräume enstehen, wobei die erforderliche Einsatzmenge von PVA hierbei deutlich geringer als diejenige bei der herkömmlichen Feuchtgranulierung ist, sodass das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eine hohe Porosität, eine große spezifische Oberfläche und eine erhöhte Festigkeit des Grünkörpers ermöglicht und die Umwelt schont. Durch die Korngrößenverteilung wird die Anpassung der Porosität, der Dichte und der spezifischen Oberfläche erleichtert. Durch die Infiltration mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit wird ein keramischer Verbundwerkstoff mit einer Aluminium-Außensicht gebildet. Dadurch, dass der keramische Verbundwerkstoff durch Infiltrieren des Grünkörpers eines keramischen Matrixmaterials mit Aluminium gebildet ist, entstehen an dem Grünkörper eines keramischen Matrixmaterials ununterbrochene Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers in Verbindung stehen. Durch die Vernetzung, die sich durch völlig untereinander verbundene Hohlräume ergibt, wird erfindungsgemäß ein keramischer Verbundwerkstoff mit geringem Gewicht, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Starrheit, hoher Zähigkeit und einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten realisiert.
Figurenliste

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikrostruktur eines feinkörnigen keramischen Rohstoffs, der durch die Granulierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs hergestellt ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikrostruktur eines feinkörnigen keramischen Rohstoffs, der durch die herkömmliche Feuchtgranulierung hergestellt ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Ablaufs der Temperaturreglung in dem Schritt „Sintern“ des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Struktur eines keramischen Verbundwerkstoffs, der gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Druckgießverfahrens in dem Schritt „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs hergestellt ist.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Produkts mit einem keramischen Verbundwerkstoff, der gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Druckgießverfahrens in dem Schritt „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs hergestellt ist, sowie eine Schnittansicht der Innenstruktur des keramischen Verbundwerkstoffs.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Produkts mit einem keramischen Verbundwerkstoff, der gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des Druckgießverfahrens in dem Schritt „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs hergestellt ist, sowie eine Schnittansicht der Innenstruktur des keramischen Verbundwerkstoffs.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Produkts mit einem keramischen Verbundwerkstoff, der gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel des Druckgießverfahrens in dem Schritt „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs hergestellt ist, sowie eine Schnittansicht der Innenstruktur des keramischen Verbundwerkstoffs.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Beschreibung diese Ausführungsbeispiele und dessen Darstellung in den beigefügten Zeichnungen beschränkt.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel folgende Schritte:

Schritt S1 „Verteilen der Partikel und Auswählen“: Auswählen eines SiC-Pulvers 11 aus Pulverpartikeln mit einem Schlankheitsgrad von 1:0,75-1:0,90 und einer Konrgröße von 3∼15µm als SiC-basiertes Rohstoffpulver;
Schritt S2 „Granulieren“: Vermischen des ausgewählten SiC-Pulvers 11 mit Polyvinylalkohol (PVA) und Auftragen einer PVA-Beschichtung 12 auf die Oberfläche der Partikel des SiC-Pulvers 11, sodass die PVA-Beschichtung und die Partikel des SiC-Pulvers 11 zu einem feinkörnigen keramischen Rohstoff 10 kombiniert werden, wobei das Gewichtsprozent des PVA bevorzugt bei 0,1~0,8 Gew.-% des gesamten feinkörnigen keramischen Rohstoffs liegt;
Schritt S3 „Formen unter Druck“: Formen eines Grünkörpers A eines keramischen Matrixmaterials aus dem feinkörnigen keramischen Rohstoff 10 unter Einsatz von Druck;
Schritt S4 „Sintern“: Sintern und Festigen des Grünkörpers A eines keramischen Matrixmaterials und Abkühlen des gesinterten Grünkörpers A derart, dass an dem Grünkörper Aununterbrochene Hohlräume entstehen, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers in Verbindung stehen; und
Schritt S5 „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“: Einlegen des Grünkörpers A eines keramischen Matrixmaterials in eine gleichförmige Form mit einer vorbehaltenen Oberflächendicke, Erwärmen der Formbis zu einem Zustandmit konstanter Temperatur und Infiltrieren des Grünkörpers A eines keramischen Matrixmaterials mit flüssigem Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit und Druckgießen des Grünkörpers A, um einen keramischen Verbundwerkstoff herzustellen.

In dem Schritt S1 „Verteilen der Partikel und Auswählen“ wird bevorzugt das SiC-Pulver 11 nach Konrgröße verteilt und nach Bedarf des Fertigprodukts wird das SiC-Pulver 11 der gewünschten Korngröße als SiC-Rohstoffpulver ausgewählt. Bevorzugt liegt die Korngrößenzahl bei zehn und nach Bedarf des zu fertigenden Produkts wird das SiC-Pulver der gewünschten Korngröße als SiC-Rohstoffpulver ausgewählt. Durch die Korngrößenverteilung wird die Anpassung der Porosität, der Dichte und der spezifischen Oberfläche erleichtert.
Bei dem Schritt S2 „Granulieren“ handelt es sich um eine spezielle Granulierungstechnik, die von dem Erfinder entwickelt worden ist und als Trockengranulierung betrachtet werden kann. In der vorliegenden Erfindung wird diese Granulierungstechnik als „diffundierende Granulierung mit hoher Geschwindigkeit“ bezeichnet, wobei bei dem granulierten feinkörnigen keramischen Rohstoff 10 ununterbrochene Hohlräume ohne Einsatz eines Porenbildners gebildet werden können. Dies hat den Vorteil, dass keine giftigen organischen Stoffe während des Sinterns freigesetzt werden und beim Sintern keine Fremdkörper entstehen, sodass die Zeit für die Ableitung organischer Stoffe in dem Vorgang des Sinterns eingespart werden kann.
Bei der „diffundierenden Granulierung mit hoher Geschwindigkeit“ wird bevorzugt das ausgewählte SiC-Pulver 11 mittels eines Schaufelrührers mit hoher Geschwindigkeit so umgerührt, dass das SiC-Pulver 11 aufgewirbelt wird. Weiter wird der PVA mittels einer Hochdruck-Rohrschlange gleichmäßig aufgesprüht und diffundierend mit dem ausgewählten SiC-Pulver 11 zu dem genannten feinkörnigen keramischen Rohstoff A kombiniert. Mit anderen Worten wird das SiC-Pulver 11 mit hoher Geschwindigkeit umgerührt und aufgewirbelt, sodass das aufgewirbelte SiC-Pulver 11 mit dem unter Einsatz von Druck in die künstlichen Partikelkammern eingesprühten flüssigen PVA zu dem feinkörnigen keramischen Rohstoff A kombiniert wird. Somit wird die Granulierung vollendet. Dabei wird eine PVA-Beschichtung 12 auf der Oberfläche des SiC-Pulvers 11 gebildet. Üblicherweise können die Partikel des SiC-Pulvers 11 mittels des PVA aneinander geklebt, sodass ein feinkörniger keramischer Rohstoff 10 in einer unregelmäßigen Kugelform gebildet wird (siehe 2) . Vorteilhafterweise erfordert der Schritt „Granulieren“ nur einen geringen Zeitaufwand und eine kleine Menge PVA, sodass der Abrieb des SiC-Pulvers 11 im Vorgang der Granulierung deutlich verringert werden kann, wodurch eine Veränderung des Schlankheitsgrades des SiC-Pulvers 11 vermieden wird. Durch diffundierendes Granulieren mit hoher Geschwindigkeit wird eine PVA-Beschichtung 12 auf der Oberfläche des SiC-Pulvers 11 gebildet. In der darauffolgenden Phase der Formung können die Partikel des SiC-Pulvers 11 mittels des PVA aneinander geklebt, sodass ein feinkörniger keramischer Rohstoff 10 ineiner unregelmäßigen Kugel form gebildet wird, wodurch eine erhöhte Porosität erzielt werden kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Mikrostruktur eines feinkörnigen keramischen Rohstoffs, der durch die herkömmliche Feuchtgranulierung hergestellt ist. Bei der herkömmlichen Feuchtgranilierung, bei der PVA als Bindemittel eingesetzt wird, werden SiC-Pulver und der PVA in einen Behälter eingegeben und dann vermischt, wobei Klumpen beim Vermischen sehr leicht entstehen. Bei der herkömmlichen Trockengranilierung wird eine größere Menge PVA (ca. 3,0 Gew.-%) benötigt. Wie an der Mikrostruktur aus 3 erkennbar ist, sind die SiC-Pulverpartikel 21 an einem und demselben größeren PVA-Klumpen 22 angeklebt, sodass ein feinkörniges keramisches Rohstoffpulver entsteht. Die Form dieses nach der herkömmlichen Feuchtgranulierung hergestellten feinkörnigen keramischen Rohstoffpulvers ist beinahe kugelförmig und verfügt über eine höhere Fließfähigkeit, sodass die Porenbildung erschwert wird. Im Unterschied zu der herkömmlichen Feuchtgranulierung zeichnet sich der Schritt der Granulierung des erfindungsgenäßen Verfahrens durch Folgendes aus:

a. die Form der Partikel des durch die Granulierung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten SiC-Pulvers 11 ist vollständig erhalten, sodass die Pulverpartikel abriebfest sind, wodurch eine Veränderung des Schlankheitsgrades des SiC-Pulvers 11 vermeidbar ist;
b. bei dem in dem Schritt S2 „Granulierung“ hergestellten feinkörnigen keramischen Rohstoff 10 können feste Poren vorbehalten werden, sodass eine verhältnismäßig gleichmäßige Porosität bei der Formung des Grünkörpers 30 eines keramischen Matrixmaterials ermöglicht wird;
c. bei der herkömmlichen Feuchtgranulierung wird eine Menge PVA als Bindemittel, die größer als 3,0 Gew.-% ist, benötigt, während das Gewichtsprozent des PVA bei der Granulierung des herkömmlichen Verfahrens bei weniger als 0,8 Gew.-% des gesamten feinkörnigen keramischen Rohstoffs 10 liegt; und
d. bei der herkömmlichen Feuchtgranulierung wird eine große Menge organischer Lösungsmittel benötigt, was nicht umweltfreundlich ist.

Bei dem im Schritt S2 „Granulierung“ des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten feinkörnigen keramischen Rohstoff 10 können Hohlräume (Poren) durch mechamische Überbrückung gebildet werden. In dem darauffolgenden Schritt „Formen unter Druck“ wird nach Bedarf des zu fertigenden Produkts ein passender Formungsdruck verwendet, um den Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials herzustellen. Bei dem hergestellten Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials sind ununterbrochene Hohlräume enstanden. Auf diese wird das bei den herkömmlichen Verfahren vorkommende Problem, dass die unter Einsatz von Porenbildnern oder durch Schäumen gebildeten Hohlräume (Poren) unterbrochen sind, gelöst. Zudem werden eine hohe Porosität, eine erhöhte strukturelle Festigkeit und eine große spezifische Oberfläche des Grünkörpers 30 erzielt.
Bei dem Schritt S3 „Formen unter Druck“ wird der Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials nach Bedarf des zu fertigenden Produkts unter einem passenden Formungsdruck, vorzugsweise einem Formungsdruck von 300-1.500 kg/cm², geformt. Bevorzugt wird die Form im Schritt S3 „Formen unter Druck“ so schwebend angepasst, dass der Druck gleichmäßig auf den Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials verteilt wird. Durch Formen unter einem festen Druck wird aus dem feinkörnigen keramischen Rohmaterial 10 der Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials hergestellt. Weiter wird der Grünkörper 30 flach liegend für 24 Stunden ruhen gelassen, bis die Spannung vollständig freigesetzt ist. Anschließend wird der Schritt S4 „Sintern“ durchgeführt. Somit weist der unter Druck geformte Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials eine gleichmäßige Dichte, eine hohe strukturelle Festigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Randwinkelabbrüche auf.
Im Schritt S4 „Sintern“ wird bevorzugt der Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials nach dem vorbestimmten Ablauf der Temperaturreglung (z.B. Temperaturerhöhung-Erhaltung einer konstanten Temperatur-Temperatursenkung) im Bereich von 1.050°C~1.450°C gesintert und gefestigt. 4 zeigt einen bevorzugten Ablauf der Temperaturreglung. In der Phase der Temperaturerhöhung wird der Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials für 8 bis 12 Stunden auf die vorbestimmte Sintertemperatur erwärmt, wobei die Sintertemperatur zwischen 1.050°C und 1.450°C liegt und je nach dem Verhältnis der Korngröße des feinkörnigen keramischen Rohstoffs 10 bestimmt wird. In der Phase der Sinterung wird der Grünkörper 30 bei der genannten Sintertemperatur für zwei bis acht Stunden weiter gesindert. In der Phase der Temperatursenkung wird der Grünkörper 30 für sechs bis acht Stunden auf die Raumtemperatur abgekühlt.
Im Schritt S5 „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ wird die Form im Temperaturbereich von 200°C∼600°C bei einer konstanten Temperatur erwärmt.
Wie in 5 gezeigt ist, zeichnet sich der nach dem erfindungsgemäße Verfahren hergestellte keramische Verbundwerkstoff A dadurch aus, dass der keramische Verbundwerkstoff A eine Aluminium-Außensicht 40 aufweist, die durch Infiltrieren des Grünkörpers 30 eines keramischen Matrixmaterials mit Aluminium gebildet ist, wobei an dem Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials ununterbrochene Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers 30 in Verbindung stehen, ausgebildet sind. Durch die Vernetzung der untereinander verbundenen Hohlräume ist eine hohe Porosität bei dem keramischen Verbundwerkstoff A erzielbar.
6 zeigt schematisch eine Anwendung des erfindungsgemäßen keramischen Verbundwerkstoffs A bei einem Spezialpedal für BMX (englisch: bicycle motorcross)-Fahrräder. Das Spezialpedal weist einen Pedal-Grundkörper 1 auf, bei dem es sich um einen keramischen Verbundwerkstoff A mit einer Aluminium-Außensicht 40 handelt, welche Aluminium-Außensicht 40 durch Infiltrieren des Grünkörpers 30 eines keramischen Matrixmaterials mit Aluminium gebildet ist. Der Pedal-Grundkörper 1 umfasst ein Achslochteil 110 und eine mit der Außenseite des Achslochteils 110 verbundene rahmenförmige Trittfläche 120, wobei die Form der Trittfläche 120 nicht auf die Rahmenform eingeschränkt ist. Es ist möglich, den Pedal-Grundkörper 1 so auszubilden, dass Stollen 130 an der rahmenförmigen Trittfläche 120 einteilig ausgebildet sind. 7 zeigt ein Klickpedal für Rennräder, welches Pedal einen Pedal-Grundkörper 1' aufweist. Der Pedal-Grundkörper 1' umfasst ein Achslochteil 110' und einen mit der Außenseite des Achslochteils 110' verbundenen Pedalkörper, wobei der Pedalkörper ein vorderes Hakenende 140 und eine hintere Gelenkaufhängung 150 aufweist, wobei eine hintere Hakeneinheit (nicht dargestellt) mit der hinteren Gelenkaufhängung 150 koppelbar ist. 8 zeigt ein Pedal für Mountainbikes, welches Pedal einen Pedal-Grundkörper 1'' aufweist. Der Pedal-Grundkörper 1'' umfasst ein Achslochteil 110'' und überstehende Blöcke 160, welche überstehende Blöcke 160 mit den beiden Außenseiten des Achslochteils 110'' verbunden sind und sich zu erstrecken, dass diese überstehenden Blöcke 160 vorne und hinter einander gegenüberstehen, wobei an dem jeweiligen überstehenden Block 160 eine Durchgangsbohrung 170 angeordnet ist, sodass eine modulare Hakeneinheit (nicht dargestellt) durch die Durchgangsbohrungen 170 befestigbar ist.
Bei den oben beschriebenen Pedalen aus dem erfindungsgemäßen keramischen Verbundwerkstoff sind die Pedal-Grundkörper 1, 1' und 1'' aus dem erfindungsgemäßen keramischen Verbundwerkstoff hergestellt, der einen Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials und eine Aluminium-Außenschicht 40 umfasst, wobei die Aluminium-Außenschicht 40 durch Infiltrieren des Grünkörpers 30 eines keramischen Matrixmaterials mit Aluminium entstanden ist. Dadurch, dass eine Aluminiumlegierung in den Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials eingedrungen ist und der Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials durch die Aluminium-Außenschicht 40 ummantelt ist, werden vorteilhafte Pedal-Grundkörper 1, 1' und 1'' realisiert, die ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit aufweisen, wobei der Grünkörper 30 eines keramischen Matrixmaterials dank der Aluminium-Außenschicht 40 stoßgeschützt wird und dadurch bruchsicher ist.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen 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, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
Bezugszeichenliste

10: feinkörniger keramischer Rohstoff
11: SiC-Pulver
12: PVA-Beschichtung
21: SiC-Pulverpartikel
22: PVA-Klumpen
30: Grünkörper eines keramischen Matrixmaterials
40: Aluminium-Außenschicht
S1: Verteilen der Partikel und Auswählen
S2: Granulieren
S3: Formen unter Druck
S4: Sintern Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und
S5: mit hoher Geschwindigkeit
A: keramischer Verbundwerkstoff
1, 1', 1'': Pedal-Grundkörper
110, 110', 110'': Achslochteil
120: rahmenförmige Trittfläche
130: Stollen
140: vorderes Hakenende
150: hintere Gelenkaufhängung
160: überstehender Block
170: Durchgangsbohrung
50: keramisches Matrixmaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 104072190 B [0004, 0005]
CN 1187291 C [0006]
CN 106588085 A [0007]
CN 104193395 B [0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs, umfassend die Schritte: - S1 „Verteilen der Partikel und Auswählen“: Auswählen eines SiC-Pulvers (11) aus Pulverpartikeln mit einem Schlankheitsgrad von 1:0,75-1:0,90 und einer Korngröße von 3∼15µm als SiC-basiertes Rohstoffpulver; - S2 „Granulieren“: Vermischen des ausgewählten SiC-Pulvers (11) mit Polyvinylalkohol (PVA) und Umrühren des ausgewählten SiC-Pulvers (11) mittels eines Schaufelrührers mit hoher Geschwindigkeit so, dass das SiC-Pulver (11) aufgewirbelt wird, wobei der PVA weiter mittels einer Hochdruck-Rohrschlange gleichmäßig aufgesprüht und diffundierend mit dem ausgewählten SiC-Pulver (11) so kombiniert wird, dass die jeweilige Oberfläche von SiC-Pulverpartikeln (21) mit einer PVA-Beschichtung (12) ummantelt wird, sodass die PVA-Beschichtung (12) und die SiC-Pulverpartikel (21) zu einem feinkörnigen keramischen Rohstoff (10) kombiniert werden, wobei das Gewichtsprozent des PVA bevorzugt bei 0,1~0,8 Gew.-% des gesamten feinkörnigen keramischen Rohstoffs (10) liegt; - S3 „Formen unter Druck“: Formen eines Grünkörpers (30) eines keramischen Matrixmaterials aus dem feinkörnigen keramischen Rohstoff (10) unter Einsatz eines festen Formungsdrucks und weiter Ruhenlassen des geformten Grünkörpers (30) eines keramischen Matrixmaterials flach liegend für 24 Stunden; - S4 „Sintern“: Sintern und Festigen des für 24 Stunden flach liegend ruhengelassenen Grünkörpers (30) eines keramischen Matrixmaterials und Abkühlen des gesinterten Grünkörpers(30) derart, dass an dem Grünkörper (30) ununterbrochene Hohlräume entstehen, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers (30) in Verbindung stehen; und - S5 „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“: Einlegen des Grünkörpers (30) eines keramischenMatrixmaterials in eine gleichförmige Form mit einer vorbehaltenen Oberflächendicke, Erwärmen der Form bis zu einem Zustand mit konstanter Temperatur und Infiltrieren des Grünkörpers (30) eines keramischen Matrixmaterials mit flüssigem Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit und Druckgießen des Grünkörpers (30), um einen keramischen Verbundwerkstoff (A) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt S1 „Verteilen der Partikel und Auswählen“ das SiC-Pulver (11) nach Korngröße in mehrere Korngrößen verteilt und nach Bedarf des zu fertigenden Produkts das SiC-Pulver (11) der gewünschten Korngröße als SiC-Rohstoffpulver ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößenzahl bei zehn liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt S3 „Formen unter Druck“ der Formungsdruck bevorzugt 300-1.500 kg/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt S4 „Sintern“ der Grünkörper (30) eines keramischen Matrixmaterials nach dem vorbestimmten Ablauf der Temperaturregelung bei einer vorbestimmten Sintertemperatur im Bereich von 1.050°C∼1.450°C gesintert und gefestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt S4 „Sintern“ der Grünkörper (30) eines keramischen Matrixmaterials in einer Phase der Temperaturerhöhung für 8 bis 12 Stunden auf die vorbestimmte Sintertemperatur erwärmt wird, weiter bei der genannten Sintertemperatur für 2 bis 8 Stunden gesintert und schließlich für 6 bis 8 Stunden auf die Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt S5 „Infiltrieren mit Aluminium unter Hochdruck und mit hoher Geschwindigkeit“ die Form bei einer konstanten Temperatur im Bereich von 200°C∼600°C erwärmt wird.
Keramischer Verbundwerkstoff (A), der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Verbundwerkstoff (A) eine Aluminium-Außensicht (40) aufweist, die durch Infiltrieren des Grünkörpers (30) eines keramischen Matrixmaterials mit Aluminium gebildet ist, wobei an dem Grünkörper (30) eines keramischen Matrixmaterials ununterbrochene Hohlräume, die untereinander und mit der Umgebung des Grünkörpers (30) in Verbindung stehen, ausgebildet sind, wobei durch die Vernetzung der untereinander verbundenen Hohlräume eine hohe Porosität bei dem keramischen Verbundwerkstoff (A) erzielbar ist.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem keramischen Verbundwerkstoff (A) ein Fahrradpedal formbar ist.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pedal-Grundkörper (1) ein Achslochteil (110) und eine mit der Außenseite des Achslochteils (110) verbundene rahmenförmige Trittfläche (120) umfasst.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Stollen (130) an der rahmenförmigen Trittfläche (120) einteilig ausbildbar sind.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pedal-Grundkörper (1') ein Achslochteil (110') und einen mit der Außenseite des Achslochteils (110') verbundenen Pedalkörper umfasst, wobei der Pedalkörper ein vorderes Hakenende (140) und eine hintere Gelenkaufhängung (150) aufweist, wobei eine hintere Hakeneinheit mit der hinteren Gelenkaufhängung (150) koppelbar ist.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Pedal-Grundkörper (1'') ein Achslochteil (110'') und überstehende Blöcke (160) umfasst, welche überstehende Blöcke (160) mit den beiden Außenseiten des Achslochteils (110'') verbunden sind und sich so erstrecken, dass diese überstehenden Blöcke (160) vorne und hinten einander gegenüberstehen.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem jeweiligen überstehenden Block (160) eine Durchgangsbohrung (170) angeordnet ist, sodass eine modulare Hakeneinheit durch die Durchgangsbohrungen (170) befestigbar ist.
Keramischer Verbundwerkstoff (A) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Außenschicht (40) eine Dicke von 0,3~0,7mm aufweist.