DE10314271A1

DE10314271A1 - Kriech- und thermoschockresistenter Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE10314271A1
Application number: DE10314271A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr. Neubrand; Ralf Dr. Schäuble; Hans-Günter Dr. Maschke; Bärbel Dr. Thielicke; Roland Dipl.-Phys. Schäfer; Ralf Dr. Westerheide
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-03-29
Filing date: 2003-03-29
Publication date: 2004-10-14
Also published as: WO2004087615A1

Abstract

Beschrieben wird ein Faserverbundwerkstoff mit aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Fasern sowie einer die Fasern einbettenden Matrix, die die Fasern unmittelbar oder getrennt durch eine Zwischenschicht mit einer die Fasern in der Matrix fixierenden Festigkeit umgibt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die die Fasern in der Matrix fixierende Festigkeit größer ist als die Festigkeit, die ausschließlich durch die Gefügestruktur der Matrix vorgegeben ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Faserverbundwerkstoff mit aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Fasern sowie einer die Fasern einbettenden Matrix, die die Fasern unmittelbar oder getrennt durch eine Zwischenschicht mit einer die Fasern in der Matrix fixierenden Festigkeit umgibt.
Stand der Technik
Faserverbundwerkstoffe, insbesondere oxidkeramische Faserverbundwerkstoffe erhalten immer größer werdende Beachtung in Bereichen, in denen es gilt technische Werkstoffe hohen Temperaturen auszusetzen, die überdies über eine ebenso hohe mechanische Belastbarkeit verfügen sollen, wie es bspw. in der Kraftwerkstechnik der Fall ist, vor allem im Bereich der Wärmekraftmaschinen, bspw. im Gasturbinenbau. Derartige Wärmekraftmaschinen erzeugen Prozesstemperaturen oberhalb 1000°C, denen entsprechende Maschinenkomponenten unmittelbar ausgesetzt sind und dies zudem unter hohen mechanischen Belastungen, wie sie bspw. bei Rotationsmaschinen aufgrund der überaus hohen Fliehkräfte an den jeweiligen Komponenten, wie bspw. Laufschaufelblätter, auftreten. In diesem Zusammenhang spielt das Kriechverhalten derartig hochbelasteter Werkstoffe eine große Rolle. Zudem besteht durch An- und insbesondere ungeplante Abschaltvorgänge die Gefahr von Thermoschockbelastungen. Vor den Hintergründen eines möglichst wirtschaftlichen Betriebes, langen Wartungsintervallen und hohen Bauteillebensdauern ist somit der Einsatz von hochbelastbaren kriech- und thermoschockbeständigen Werkstoffen unerlässlich.

Derzeit werden in Anlagen zur Energieumwandlung wie Gasturbinen vorwiegend metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen eingesetzt. Die Anwendungstemperatur dieser Werkstoffe ist jedoch durch eine mangelnde Kriechresistenz und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen beschränkt. Eine Alternative besteht in keramischen Beschichtungen oder aufgesetzten keramischen Teilen. Dünne Schichten müssen jedoch gekühlt werden, was den Wirkungsgrad der Anlage vermindert, dickere Schichten unterliegen der Gefahr des Abplatzens. Aufgesetzte keramische Teile setzen in Verbindung mit metallischen Substraten der möglichen Temperaturerhöhung enge Grenzen.

Ein weiterer Fortschritt in der vorstehenden Entwicklungsrichtung ist durch die Entwicklung nichtmetallischer Faser-Komposite erzielt worden. Derartige Komposite bestehen in aller Regel aus drei Komponenten:

1. einem Faser-Gewebe, z.B. aus einem Gelege eines viele Fasern enthaltenden Garns,
2. eine Matrix, in die die Fasern einbettet sind und die Zwischenräume zwischen den Fasern möglichst dicht ausfüllt, sowie
3. einer stofflich angepassten Zwischenschicht (Interface) zwischen Matrix und Fasern, die das Ablösungs- bzw. Haftverhalten optimal moderieren kann.

Verglichen mit Metallen bieten derartige Komposite die Vorteile geringerer Dichte bei verbesserter Kriechfestigkeit. Im speziellen Fall oxidischer Komposite kommt eine besonders hohe Oxidationsbeständigkeit hinzu. Aufgrund der den oxidkeramischen Werkstoffen immanente Sprödigkeit der erwähnten Komponenten ist es jedoch erforderlich, eine ausreichende Schädigungs- und Thermoschocktoleranz durch geeignetes Werkstoffdesign zu erzielen.

In diesem Zusammenhang wird in allen bisher bekannten Veröffentlichungen die Beschichtung der Fasern mit einer Zwischenschicht niedriger Haftung vorgeschlagen, die bei Bruch eine Faserablösung fördert und so die Schädigungs- und Thermoschocktoleranz erhöht.

So wird in der DE 43 030 16 C2 ein keramischer Verbundwerkstoff beschrieben, der Fasern einer beliebigen Zusammensetzung im Phasendiagramm Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂ enthält, wobei der Faservolumenanteil 20–70 % beträgt. Die Fasern sind mit einer Schicht aus Kohlenstoff überzogen, um eine ausreichende Schädigungstoleranz zu erhalten.

Auch im US-Patent US 5 567 518 sind Faserverbundwerkstoffe beschrieben, mit den folgenden Kombinationen bezüglich dem System Faser/Grenzfläche/Matrix: Al₂O₃/Al₂TiO₅/Al₂O₃, Al₂O₃/YAG/Al₂O₃, Al₂O₃/Mullit/Al₂O₃, Al₂O₃/SnO₂/Al₂O₃, YAG/SnO₂/Al₂O₃, YAG/Al₂TiO₅/Al₂O₃. In allen beschriebenen Ausführungsformen wird ausdrücklich darauf Wert gelegt, die Verbindung zwischen den Fasern und die die Fasern umgebende Matrix möglichst schwach auszubilden, um eine erhöhte Thermoschockbelastbarkeit zu erzielen, wodurch jedoch andererseits die Kriechbeständigkeit reduziert wird.

Zusätzlich zur vorstehend erläuterten Massnahme der reduzierten Verbindungsfestigkeit zwischen Faser und Matrix vermag die Materialwahl für die Faser einen weiteren Beitrag zur Verbesserung der Thermoschockbelastbarkeit leisten. So geht aus der DE 69 292 936 T2 sowie der DE 198 26 792 C2 der Vorschlag hervor, die Fasern aus polykristallinen oder amorphen Oxidkeramiken oder aus polykristallinen aluminiumoxidreichen Mullitfasern zu fertigen, die jedoch im Temperaturbereich oberhalb von 1300°C nicht kriechbeständig sind.

Der Temperaturbereich oberhalb von 1300°C ist jedoch nur nutzbar, falls die Kriechanfälligkeit oxidischer Polykristallgefüge beherrscht wird. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz von einkristallinen Fasern erreicht werden, wenn diese ihre höhere Kriechbeständigkeit durch eine feste Anbindung an die Matrix auf den gesamten Verbundwerkstoff übertragen können.

Oxidkeramische Faserverbundwerkstoffe, die für den Bereich oberhalb 1300°C die gewünschte Kriechresistenz und Thermoschockresistenz erwarten lassen, sind Langfaser-Matrix-Komposite, die besonders kriechresistente Fasern enthalten. Die erhöhte Kriechresistenz der Fasern kann dadurch erzielt werden, dass die Fasern bereichsweise oder vollständig einkristallin sind. Die Verwendung solcher einkristalliner Fasern wurde etwa im Ausführungsbeispiel 5 der vorstehend erwähnten US 5 567 518 vorgeschlagen, jedoch stets in Kombination mit einer schwach ausgebildeten Faser-Matrix-Grenzflächenfestigkeit, um eine ausreichende Schädigungstoleranz zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserverbundwerkstoff mit aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Fasern sowie einer die Fasern einbettenden Matrix, die die Fasern unmittelbar oder getrennt durch eine Zwischenschicht mit einer die Fasern in der Matrix fixierenden Festigkeit umgibt, derart weiterzubilden, dass den bislang unvereinbaren Forderungen nach Thermoschock-Stabilität und Schadenstoleranz sowie Langzeit-Formstabilität, d.h. hohe Kriechresistenz, zu gleichen Teilen entsprochen wird. Der vorzugsweise aus Oxidkeramik bestehende Faserverbundwerkstoff soll als Hochtemperaturmaterial und vorzugsweise für den Einsatz in dem vorstehend genannten Bereich der Wärmekraftmaschinen geeignet sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein Faserverbundwerkstoff mit aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Fasern sowie einer die Fasern einbettenden Matrix, die die Fasern unmittelbar oder getrennt durch eine Zwischenschicht mit einer die Fasern in der Matrix fixierenden Festigkeit umgibt, dadurch aus, dass die die Fasern in der Matrix fixierende Festigkeit größer ist als die Festigkeit, die ausschließlich durch die Gefügestruktur der Matrix selbst vorgegeben ist.

Zum einen soll durch eine feste und innige Verbindung zwischen den Fasern und der die Fasern umgebende Matrix eine hohe Kriechfestigkeit des Faserverbundwerkstoffes erreicht werden, die den Einsatz des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffes in technische Bereiche ermöglicht, in der der Werkstoff hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, wie beispielsweise innerhalb rotierender Komponenten in einer Gasturbinenanlage.

Um andererseits jedoch für eine ausreichend hohe Thermoschock-Stabilität sowie hohe Schädigungstoleranz des Werkstoffes zu sorgen, sieht die Gefügestruktur der Matrix in vorteilhafter Weise gezielt eingebrachte Defekte vor, die als Schwachstellen dienen und für eine hohe lokale Festigkeitsstreuung sorgen, wodurch bei mechanischer Überbeanspruchung des Faserverbundwerkstoffes eine große Energiedissipation innerhalb der Matrix und eine damit verbundene hohe Rissdichte auftritt. Durch die gezielt in die Gefügestruktur der Matrix eingebrachten Defekte treten bei Überschreitung einer bestimmten Beanspruchungsgröße als erstes an den Defektstellen Versagenserscheinungen innerhalb der Gefügestruktur auf, ohne dabei die in die Matrixstruktur eingebetteten Fasern und insbesondere ihre mit hoher Festigkeit ausgebildeten Verbindungen zur Matrixstruktur zu beeinträchtigen. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der erfindungsgemäß ausgebildete Faserverbundwerkstoff aufgrund der sehr starken innigen Verbindung zwischen den Fasern und der Matrixstruktur über eine hohe Kriechfestigkeit verfügt und darüber hinaus aufgrund der in Art von Sollbruchstellen in die Gefügestruktur der Matrix eingebrachten Defekte eine in der Matrix immanent vorhandene hohe Festigkeitsstreuung vorsieht, wodurch die Thermoschock-Beständigkeit und damit verbunden die Schädigungstoleranz weitaus über jenen vergleichbaren Toleranzwerten liegt, wie sie von Seiten der eingangs zum Stand der Technik gewürdigten Verbundwerkstoffe bekannt sind.

Die Thermoschockstabilität des erfindungsgemäß ausgebildeten Verbundwerkstoffes wird im Gegensatz zu den eingangs genannten, bekannten Verbundwerkstoffen nicht durch Ablöse- oder Verschiebungseffekte zwischen Faser und der Matrix bestimmt, sondern durch die Aufnahme der auf den erfindungsgemäß ausgebildeten Werkstoff von außen einwirkenden mechanischen Energie innerhalb der gesamten Gefügestruktur der Matrix durch lokal verteilte Energieabsorption innerhalb der vorgesehenen Schwachstellen, die sich beispielsweise durch lokal begrenzte Rissbildungen auswirken, wobei, und dies ist in besonderer Weise hervorzuheben, ein zusammenhängendes Risssystem bedingt durch die Festigkeitsstreuung innerhalb der Matrix vermeidbar ist. Ein solches Risssystem würde, wie unter Bezugnahme auf ein im folgenden dargestelltes Ausführungsbeispiel zeigt, in Einzelfällen zu unvermeidbaren lokalen Beschädigungen des Verbindungsgefüges zwischen Faser und Matrix führen.

Zur Einbringung von Defekten in die vorzugsweise aus einem oxidkeramischen Werkstoff bestehende Matrix stehen unterschiedliche Maßnahmen zur Verfügung, die alternativ oder in Kombination eingesetzt werden können. So können Defekte in Form von Gefügeschwachstellen als kleine Hohlräume oder Poren in die Matrix eingebracht werden, auch sind gezielt in die Gefügestruktur eingebrachte Mikrorisse oder Einschlüsse einer Fremdphase für lokale Schwächungen der Gefügestruktur geeignet.

Um, wie bereits vorstehend erwähnt, die Kriechfestigkeit des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffes zu steigern, ist eine sehr stark ausgeprägte Verbindung zwischen den einzelnen Fasern und der Matrix vorzusehen. Um die Kriechfestigkeit der Fasern selbst möglichst hoch zu wählen, eignen sich in besonders bevorzugter Weise Fasern aus zumindest abschnittsweise einkristallinem oxidkeramischem Werkstoff, bspw. in Form unidirektionaler Saphir-Fasern. Auch hängt die Kriechbeständigkeit bzw. Festigkeit des Verbundwerkstoffs von der gewählten Länge der einzelnen Fasern ab beziehungsweise der einkristallinen Bereiche in den Fasern ab sowie von ihrem Volumenanteil innerhalb der gesamten Gefügestruktur der Matrix. Grundsätzlich gilt die Regel, dass umso höhere Kriechfestigkeitswerte erreichbar sind je länger die einzelnen Fasern bzw. einkristallinen Abschnitte ausgebildet sind. Zudem sollte der Volumenfaseranteil innerhalb der Gesamtgefügestruktur des Faserverbundwerkstoffes zwischen 5% und 65%, vorzugsweise zwischen 40% und 65% liegen.

Ferner hat sich gezeigt, dass durch Dotierung der Fasern oder der Matrix mit Fremdatomen mit einem Atomanteil zwischen 0,1% und 5% zusätzlich die Festigkeit der Verbindung zwischen Faser und Matrix bezüglich Scher- und Zugbelastung bei Temperaturen über 1000°C erhöht und die Beweglichkeit der Korngrenzen heruntergesetzt werden kann. Im Falle von Aluminiumoxidfasern ist eine Dotierung mit einem der Oxide der Seltenerdmetalle, Y, oder Sc besonders vorteilhaft. Auf Zwischenschichten zwischen Faser und Matrix kann so in der Regel verzichtet werden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierte Darstellung der Kriechraten unterschiedlich faserverstärkter Matrizen,
2 schematisierte Darstellung zur Abhängigkeit der Kriechrate einer faserverstärkten Matrize von der Faserlänge,
3 Darstellung zur Risssimulation innerhalb eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes mit geringer Festigkeitsstreuung innerhalb der Matrix, sowie
4 Darstellung zur Risssimulation innerhalb eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes mit hoher Festigkeitsstreuung innerhalb der Matrix.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Aufgrund der wachsenden Ansprüche, insbesondere im Wärmekraftmaschinenbau, werden oxidationsbeständige Verbundwerkstoffe mit geringer Thermoschock-Empfindlichkeit und hoher Kriechresistenz bei Temperaturen oberhalb 1000°C erforderlich. Die geforderte Langzeitbeständigkeit in oxidierenden Heissgasen, wie sie beim Betrieb von Gasturbinen auftreten, kann nur durch Verwendung von Werkstoffen auf oxidischer Basis sichergestellt werden. Bislang verwendete polykristalline Oxidkeramiken können die hohen Anforderungen an die Kriechresistenz von weniger als 1 % Längenänderung pro Jahr bei 100 MPa Zugspannung und Temperaturen über 1400°C jedoch nicht erfüllen. Dagegen weisen einkristalline, oxidische Fasern ausreichend niedrige Kriechraten auf.
1 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Kriechrate eines Faserverbundwerkstoffes, bestehend aus unidirektionalen Saphir-Fasern, eingebettet in eine Aluminiumoxid-Matrix, in Abhängigkeit vom Anteil sowie der Anordnung der Fasern innerhalb der Matrix. So zeigt sich, dass für unendlich lange Fasern und eine reine Zugbelastung des Faserverbundwerkstoffes eine Verbesserung der Kriechbeständigkeit um vier Zehnerpotenzen erzielbar ist, wenn mehr als 40% Volumenanteil Fasern in die Matrix eingebettet sind (siehe den einzigen Funktionsverlauf im Diagramm).
Werden hingegen kurze Fasern in die Matrix eingebettet, so spielt im Hinblick auf die Kriechfestigkeit die Anordnung der Fasern eine große Rolle. So führt eine homogenere Faseranordnung innerhalb der Matrix zu niedrigeren Kriechraten (siehe Rauten-Punkt in 1) als Anordnungen mit größeren unverstärkten Matrizenbereichen (siehe Quadrat-Punkt in 1).
In 2 ist eine Gegenüberstellung von unterschiedlich langen unidirektionalen Saphir-Fasern eingebettet jeweils in eine Aluminiumoxid-Matrix, zusammen mit ihren jeweiligen Kriechraten dargestellt. Es zeigt sich, dass sich die Kriechrate für kürzere Fasern erhöht, also das Kriechverhalten des Faserverbundwerkstoffes sich verschlechtert. Selbst bei Faserlängen von 20 μm ist jedoch eine Kriechrate erzielbar, die mehr als zwei Zehnerpotenzen niedriger ist als im Falle einer unverstärkten, feinkörnigen Matrix. Für alle Faseranordnungen mit endlich langen Faserlängen gilt jedoch einheitlich, dass niedrige Kriechraten ausschließlich erzielt werden können, wenn eine starke Faser-Matrix-Grenzfläche vorliegt, d.h. die Verbindung zwischen Faser und Matrix über eine hohe Festigkeit verfügt.
Zur Optimierung der Thermoschock-Empfindlichkeit bzw. der Schädigungstoleranz eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes war es bisherige Praxis, die Haftung zwischen Faser und Matrix schwach auszubilden, eine Maßnahme, die jedoch kontraproduktiv zu den vorstehenden Überlegungen zur Reduzierung der Kriechrate steht.
Grundsätzlich wird die Materialschädigung beim Thermoschock durch die thermischen und die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes bestimmt. Da in der Regel aufgrund der extrem hohen Thermoschockbeanspruchung eine Rissbildung nicht vermieden werden kann, kommt der Schädigungstoleranz eine der Faserverbundwerkstoffe eine entscheidende Bedeutung zu.
Für das geeignete Design eines Faserverbundwerkstoffes wird das Schädigungsverhalten der Gefügestruktur der Matrix im Weiteren genauer betrachtet. Durch gezieltes Einbringen von innerhalb des Volumens der Matrix stochastisch oder gleichmäßig verteilter Schwachstellen werden bei entsprechender mechanischer Belastung sich ausbildende Rissmuster innerhalb der Matrix untersucht. Die Rissbildung erfolgt im Einzelnen vor dem Hintergrund einer Werkstoff-spezifischen Struktur von Schwachstellen, die bei Belastung sukzessive versagen. Jede einzelne Schwachstelle verfügt über eine individuelle Beanspruchungsgröße, die bei Überschreiten durch eine lokal mechanisch auftretende Spannung zum Versagen der einzelnen Schwachstellen führt. Ziel ist es, durch Einbringen einer Vielzahl im Volumen verteilter Schwachstellen eine hohe Festigkeitsstreuung innerhalb der Gefügestruktur der Matrix zu erhalten, wodurch bei mechanischer Belastung der Gefügestruktur eine im Volumen verteilte Energieabsorption durch sukzessives Versagen der Vielzahl einzelner Schwachstellen erreicht wird, unter Vermeidung einer sich großflächig und einheitlich ausbildenden Risserscheinung.
Zur Verdeutlichung der vorstehenden Konditionierung der Matrix mit gezielt eingebrachten Schwachstellen bzw. Defekten wird auf die nachfolgenden 3 und 4 verwiesen, die jeweils Schädigungsmuster innerhalb der Gefügestruktur der Matrix 1 zeigen, in der parallel zueinander angeordnete Fasern 2 eingebettet sind. Die gezeigten Beschädigungsmuster sind unter Zugbelastung parallel zu den Fasern 2 ermittelt worden.
In dem in 3 gezeigten Schädigungsfall ist keine bzw. nur eine sehr geringe Festigkeitsstreuung innerhalb der Gefügestruktur der Matrix 1 vorgesehen, d.h. in der Matrix 1 sind weitgehend keine bzw. nur in sehr geringem Umfang vorhandene Defekte bzw. Schwachstellen eingebracht. Es zeigt sich, dass im Belastungsfall bei Überschreiten einer maximalen Belastung der Schädigungsvorgang weitgehend schlagartig bei Erreichen einer kritischen Last verläuft, wobei sich das Material spröde verhält. Es bilden sich quer durch die gesamte Gefügestruktur der Matrix 1 verlaufende Risse aus, die sich vorzugsweise parallel zu den Grenzflächen zwischen den Fasern 1 und der Matrix 2 fortpflanzen, aber in Einzelfällen auch den Faserkern 2 vollständig zu durchtrennen vermögen. Eine derartig konditionierte Gefügestruktur der Matrix 1 verfügt jedoch über nur unzureichende Thermoschock-Eigenschaften sowie Kriechverhalten.
Demgegenüber sieht die in 4 dargestellte Gefügestruktur der Matrix 1 eine Vielzahl stochastisch in der Gefügestruktur der Matrix verteilte Schwachstellen vor, die bei Überschreiten einer Maximalbelastung lokal versagen und zu lokal und eng begrenzten Rissbildungen 3 führen.
Ein derart konditionierter Faserverbundwerkstoff mit gezielt innerhalb der Matrix vorgesehenen Defekten bzw. Schwachstellen, die zu einer hohen Festigkeitsstreuung führen, weist Schädigungen der Matrix bereits bei einem niedrigeren Lastniveau auf, die sich jedoch nicht wie im vorstehend beschriebenen Fall gemäß 3 spontan und schlagartig ausbreiten, sondern sich sukzessive fortbilden. Vereinzelt auftretende Faserbrüche werden von der fest anhaftenden Matrix überbrückt, ohne dass dies zur Ausbildung gefährlicher, zusammenhängender Risssysteme und zum Sprödbruch führt.
Der erfindungsgemäß ausgebildete oxid-keramische Faserverbundwerkstoff eignet sich in besonderem Maße für thermisch hochbelastete Bauteile oder Anlagenkomponenten, die bei Temperaturen oberhalb von 1000°C eingesetzt werden. Beispielsweise betreffen derartige Anlagenkomponenten die dem Heißgasstrom ausgesetzten Komponenten einer Wärmekraftrotationsmaschine, wie beispielsweise die Leit- und Laufschaufeln einer Gasturbine.
Folgende Ausführungsbeispiele zeigen erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoffe:
Ausführungsbeispiel 1:
Aluminiumoxidfasermatten (Nextel 610, 3M) werden für 2 Stunden auf 600°C an Luft erhitzt um die organische Schlichte zu entfernen. Anschließend werden die Fasermatten für zwei weitere Stunden auf 1900°C in feuchtem Wasserstoff erhitzt, wobei die Fasern rekristallisieren und abschnittsweise einkristallin werden. Der Faserverbund wird evakuiert und mit einem wässrigen Sol mit einem Feststoffgehalt von 40 Vol. % (85% Aluminiumoxid, Condea HPA0.5 und 15% Zirkonoxid, Tosoh-3Y) infiltriert. Nach der Trocknung wird das infiltrierte Fasergelege bei 1550°C für eine Stunde gesintert.
Ausführungsbeispiel 2:
Fasermatten aus einer Yttriumaluminiumgranat(YAG)- Fasern werden mit einem wässrigen Schlicker, dessen Feststoffanteil zu 80% aus Aluminiumoxid (Condea HPA0.5), 5% aus YAG (0,2 μm Korngröße, Seattle Special Ceramics) und 15% aus feinverteiltem Kohlenstoff bestand im Vakum infiltriert. Der Faserverbund wird getrocknet und der Kohlenstoff durch Aufheizen auf 1000°C (mit 0,2K/min) an Luft ausgebrannt. Der Verbund wird bei 1650°C in N₂ mit 30MPa für eine Stunde heißgepresst.

1: Gefügestruktur der Matrix
2: Fasern
3: Risse

Claims

Faserverbundwerkstoff mit aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Fasern sowie einer die Fasern einbettenden Matrix, die die Fasern unmittelbar oder getrennt durch eine Zwischenschicht mit einer die Fasern in der Matrix fixierenden Festigkeit umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fasern in der Matrix fixierende Festigkeit größer ist als die Festigkeit, die ausschließlich durch die Gefügestruktur der Matrix vorgegeben ist.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus zumindest abschnittsweise einkristallinem oxidkeramischem Werkstoff gefertigt sind.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der durch die keramische Matrix vorgegebene Gefügestruktur Defekte eingebracht sind, die die Festigkeit und damit die mechanische Belastbarkeit der Gefügestruktur zumindest am Ort der Defekte lokal herabsetzen.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Defekte in Form von Hohlräumen, wie Poren, Mikrorissen oder von Einschlüssen einer Fremdphase innerhalb der Matrix vorgebbar sind.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern im Gesamtvolumen des Werkstoffs zwischen 5 % und 65 %, vorzugsweise zwischen 40 % und 65 %, liegt
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der Matrix mit Fremdatomen mit einem Anteil von 0,01–5 Atom-% erfolgt ist.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern mit Fremdatomen mit einem Anteil von 0,01–5 Atom-% dotiert sind.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Kriechfestigkeit von kleiner 10^–9 sec^–1 bei 100 MPa Zugspannung und einer Temperatur von 1400°C aufweisen.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einkristalline Saphirfasern sind.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix eine Aluminiumoxid-Matrix ist.
Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für thermisch hochbelastete Bauteile oder Anlagenkomponenten, die Temperaturen oberhalb 1000°C ausgesetzt sind.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile oder Anlagenkomponenten hohen thermischen Wechselbelastungen ausgesetzt werden