DE10329822A1

DE10329822A1 - Verfahren zur Herstellung von Keramiken und Bauteil aus einer derartigen Keramik sowie Vorkörper zur Herstellung einer derartigen Keramik

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Publication number: DE10329822A1
Application number: DE10329822A
Authority: DE
Inventors: Michaela Dipl.-Min. Gahr; Walter Dr.-Ing. Krenkel; Jens Dr.rer.nat. Schmidt; Andreas Dipl.-Forstw. Hofenauer; Olaf Dipl.-Holzw. Treusch; Fritz Dipl.-Holzw. Tröger; Gerd Prof. Dr.Dr.habil. Dr.h.c. Wegener; Jörg Prof. Dr. Fromm
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27
Also published as: DE502004010896D1; US7479249B2; US20050037914A1; EP1493723B1; EP1493723A1; ATE461163T1

Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung von Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken aus Siliziumcarbid-Keramik, bei welchem aus einem zellulosehaltigen Werkstoff ein poröser Vorkörper hergestellt wird, der poröse Vorkörper mittels Pyrolyse in einen offenporösen Kohlenstoffkörper umgewandelt wird und der offenporöse Kohlenstoffkörper durch Infiltration von Silizium umfassenden Materialien in eine Silizium umfassende Carbid-Keramik, insbesondere Siliziumcarbid-Keramik, umgewandelt wird, derart zu verbessern, daß die Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken sowie die daraus hergestellten Bauteile mit möglichst reproduzierbarne Eigenschaften herstellbar sind, wird vorgeschlagen, daß zur Herstellung des Vorkörpers als Ausgangsbestandteil mindestens zellulosehaltiges Pulver verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken aus Silizium umfassender Carbid-Keramik, insbesondere Siliziumcarbid-Keramik.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Bauteil aus einer Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik aus Silizium umfassender Carbid-Keramik, insbesondere Siliziumcarbid-Keramik.

Aus der DE 199 47 731 ist ein Verfahren zur Herstellung von Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken aus Siliziumcarbid-Keramik bekannt, bei welchem aus einem zellulosehaltigen Werkstoff ein poröser Vorkörper hergestellt wird, der poröse Vorkörper mittels Pyrolyse in einen offenporösen Kohlenstoffkörper umgewandelt wird und der offenporöse Kohlenstoffkörper durch Infiltration von Silizium umfassenden Materialien insbesondere Silizium oder Silizium-Legierungen, in eine Silizium umfassende Carbid-Keramik, insbesondere Siliziumcarbid-Keramik, umgewandelt wird.

Darüber hinaus ist aus der DE 199 47 731 A1 auch ein derartiges Bauteil bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren zum Herstellen von derartigen Bauteilen aus Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik werden Holzbestandteile in Form von groben Spänen oder Furnierholzlagen unterschiedlicher Dicke eingesetzt. Durch das Verpressen entsteht dabei zwar ein poröser Vorkörper, bei diesem sind jedoch aufgrund der Preßtechnik ausgeprägte Dichtegradienten vorhanden.

Darüber hinaus ist auch eine Anisotropie dadurch zu verzeichnen, daß der Vorkörper in Randbereichen stärker verdichtet wird als in inneren Bereichen.

Insbesondere beim Schichtaufbau einzelner Holzfurnierlagen ist die Anisotropie extrem ausgeprägt.

Insgesamt weist der Vorkörper einen relativ inhomogenen Aufbau in allen Raumrichtungen auf, welcher wiederum dazu führt, daß während der Pyrolyse eine gleichmäßige Ableitung der Gase aus dem Vorkörper verhindert wird.

Darüber hinaus ist bei der Pyrolyse ein erheblicher Verzug nicht zu vermeiden.

Insgesamt ist das erhaltene Keramikgefüge grob strukturiert und weist neben Siliziumcarbid lokal auftretende Bereiche mit hohen Anreicherungen von Restsilizium und Restkohlenstoff auf. Die Ursache hierfür ist ebenfalls in der Verwendung der groben Holzspäne und der Furnierlagen und der damit verbundenen intergranularen Hohlraumbildung zu sehen.

Insgesamt sind die durch das bekannte Verfahren hergestellten Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken sowie die daraus erhältlichen Bauteile mit nur in geringem Maße reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß die Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken sowie die daraus hergestellten Bauteile mit möglichst reproduzierbaren Eigenschaften herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Herstellung des Vorkörpers als Ausgangsbestandteil mindestens zellulosehaltige Pulver verwendet werden.

Durch die Verwendung von zellulosehaltigem Pulver und Bindemittel zur Herstellung des Vorkörpers läßt sich der Vorkörper mit im wesentlichen homogener Dichte und Porosität herstellen und dadurch lassen sich dann auch die daraus hergestellten Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken mit reproduzierbaren Eigenschaften herstellen.

Besonders günstig ist es dabei, wenn die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner als 300 μm, noch besser kleiner als 100 μm, noch besser kleiner als 50 μm aufweisen.

Besonders hinsichtlich des zellulosehaltigen Pulvers hat es sich als günstig erwiesen, wenn dieses eine Korngröße von weniger als 50 μm, noch besser weniger als 30 μm, aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das zellulosehaltige Pulver von einer kapillaren Zellstruktur freie Partikel aufweist. Unter kapillarer Zellstruktur sind nur Strukturen mit vielen vollständig vorhandenen Zellen zu verstehen. D. h., daß das zellulosehaltige Pulver die übliche kapillare Zellstruktur von Holzspänen nicht mehr aufweist, sondern derart geringe Korngrößen hat, daß die kapillare Zellstruktur hinsichtlich ihrer Auswirkungen für das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr vorhanden ist, auf jeden Fall keinerlei Auswirkungen auf die Eigenschaften der Gesamtheit der Partikel im Vorkörper mehr hat. Das heißt, die Partikel können auch noch wenige Zellen umfassen, wobei die zwischen diesen wenigen Zellen vorhandenen Hohlräume keine Auswirkungen auf die Porosität des Vorkörpers haben.

Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung wird somit bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung bewußt auf die Auswirkungen der kapillaren Zellstruktur des Holzes für die Silizierung verzichtet und insbesondere in dem Vorkörper eine Gefügestruktur geschaffen, deren Eigenschaften und Porosität primär durch das Mischungsvehältnis und die Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers und des gegebenenfalls vorhandenen Bindemittels bedingt sind, jedoch nicht durch Eigenschaften und Struktur der Partikel selbst. Damit besteht die Möglichkeit, die Eigenschaften des Vorkörpers, insbesondere dessen Homogenität, exakt zu definieren und somit auch die Eigenschaften der Strukturkeramiken oder Funktionskeramiken reproduzieren zu können.

Das zellulosehaltige Pulver kann dabei in unterschiedlicher Art und Weise hergestellt werden. Beispielsweise ist es im einfachsten Fall denkbar, als zellulosehaltiges Pulver ausreichend feines Holzpulver zu verwenden.

Eine andere alternative Lösung sieht dabei vor, daß das zellulosehaltige Pulver frei von zellularen Strukturen ist, das heißt, keine vollständig vorhandenen Zellen mehr umfasst.

Im Fall von Holzpartikeln sind somit nur noch Zellwandbruckstücke vorhanden.

Alternativ zu Holzpartikeln umfaßt ein derartiges zellulosehaltiges Pulver beispielsweise Zellulosepulver.

Prinzipiell ist der Vorkörper lediglich durch Verpressen des zellulosehaltigen Pulvers herstellbar.

Besonders günstig ist es, wenn als Ausgangsbestandteil noch Bindemittel zugesetzt wird.

Das als Ausgangsbestandteil verwendete Bindemittel könnte beispielsweise ein flüssiges Bindemittel sein, in welches das zellulosehaltige Pulver eingemischt wird. Um eine vorteilhafte und vollständige Durchmischung bei möglichst geringen Mischzeiten zu erhalten, ist es jedoch von Vorteil, wenn als Bindemittel trockenes Bindemittel verwendet wird, da sich dieses weit vorteilhafter mit zellulosehaltigem Pulver mischen läßt.

Besonders günstig ist es, wenn das trockene Bindemittel pulverförmig dem zellulosehaltigen Pulver zugesetzt wird.

Beispielsweise ist dabei vorgesehen, daß das pulverförmige Bindemittel eine Korngröße von kleiner 100 μm, noch besser kleiner 50 μm, noch besser kleiner 15 μm aufweist.

Das Bindemittel kann dabei aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere unterschiedlichen Leimen oder Harzen sein.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß das Bindemittel Phenolharz umfaßt.

Besonders gute Mischungsergebnisse zwischen dem zellulosehaltigen Pulver und dem Bindemittel sind dann erhältlich, wenn die Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers und des Bindemittels in ungefähr der gleichen Größenordnung, d. h. innerhalb ungefähr der gleichen Zehnerpotenz liegen.

Besonders günstig ist es dabei, wenn die Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers und des Bindemittels sich um maximal einen Faktor 3, noch besser sich nicht in der Größe unterscheiden.

Hinsichtlich der Ausgangsbestandteile bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es denkbar, lediglich zellulosehaltiges Pulver und Bindemittel zu verwenden.

Es ist aber auch denkbar, als Ausgangsbestandteil noch mindestens ein Additiv zuzusetzen.

Mit einem derartig geeignet gewählten Additiv lassen sich die Eigenschaften der Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik noch besser reproduzieren.

Das Additiv kann dabei grundsätzlich in unterschiedlichster Form zugesetzt werden.

Hinsichtlich der Vermischung hat es sich ebenfalls als besonders günstig erwiesen, wenn das Additiv pulverförmig ist.

Ferner ist vorzugsweise ebenfalls vorgesehen, daß das Additiv eine Korngröße aufweist, welche in der Größenordnung der Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers liegt oder kleiner ist.

Noch besser ist es, wenn sich die Korngröße des mindestens einen Additivs und des zellulosehaltigen Pulvers maximal um einen Faktor 5 noch besser einen Faktor 3 unterscheiden.

Hinsichtlich der Art der Additive, die zugesetzt werden können, sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß das Additiv ein reaktives Additiv ist, d. h. ein Additiv, welches im Verlauf des Verfahrens der Herstellung der Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik selbst reagiert.

Ein derartiges reaktives Additiv ist vorzugsweise Kohlenstoffpulver, welches beispielsweise in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder Koks zugesetzt werden kann.

Alternativ zum Zusetzen eines reaktiven Additivs besteht auch die Möglichkeit, ein nicht reaktives Additiv zuzusetzen.

Beispielsweise sind derartige nicht reaktive Additive Carbide und/oder Boride und/oder Nitride und/oder Silizide und/oder Oxide.

Um die Eigenschaften der Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik möglichst reproduzierbar erhalten zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, daß bereits die Ausgangsbestandteile trocken gemischt werden.

Vorzugsweise werden die Ausgangsbestandteile durch Mischen homogenisiert.

Um aus den Ausgangsbestandteilen einen Körper mit einer definierten Form herzustellen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Ausgangsbestandteile in eine Form eingegeben werden.

Besonders günstig läßt sich dieses Verfahren dann realisieren, wenn die Ausgangsbestandteile trocken in die Form eingegeben werden, so daß der durch das Mischen homogenisierte Zustand der Ausgangsbestandteile erhalten bleiben kann.

Um eine möglichst homogene Struktur des Vorkörpers zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Ausgangsbestandteile zu einem Formkörper verpreßt werden.

Dabei ist vorzugsweise eine Vorverdichtung der Ausgangsbestandteile zum Formkörper bei Preßdrücken von bis zu 15 MPa vorgesehen.

Vorzugsweise erfolgt dabei das Vorverpressen der Ausgangsbestandteile zu dem Formkörper ohne Härtung des Bindemittels. Damit wird eine im wesentlichen homogene Verdichtung des Formkörpers, insbesondere im wesentlichen ohne Ausbildung von Dichtegradienten, erreicht.

Im wesentlichen erfolgt dieses Vorverpressen dabei ohne eine Erwärmung.

Vorzugsweise ist dabei ein Formkörper herstellbar mit einer Dichte, welche im Bereich von ungefähr 0,4 g/cm³ bis ungefähr 1,5 g/cm³. Noch besser ist es, wenn der Formkörper eine Dichte aufweist, welche im Bereich von ungefähr 0,65 g/cm³ bis ungefähr 1,0 g/cm³ liegt.

Zur Herstellung des Formkörpers ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Formkörper auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei welcher die Aushärtung des Bindemittels erfolgt.

Zweckmäßigerweise erfolgt dabei das Aufheizen des Formkörpers derart, daß das Bindemittel im wesentlichen vollständig aushärtet.

Beispielsweise erfolgt das Aushärten des Bindemittels bei Temperaturen bei 220°C und beispielsweise einem Druck von maximal 15 MPa.

Um einen Verzug des Formkörpers zu vermeiden, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Aufheizung des Formkörpers zur Aushärtung des Bindemittels in einer Presse erfolgt.

Hinsichtlich der Porosität des Vorkörpers ist vorzugsweise vorgesehen, daß der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 10 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt. Noch besser ist, wenn der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 20 Vol.-% und ungefähr 60 Vol.-% liegt.

Ein derart hergestellter Formkörper enthält meist Wassermoleküle die während der Aushärtung des Bindemittels entstehen.

Außerdem hat ein derart hergestellter Formkörper die Tendenz, Wasser aus der Umgebungsluft einzulagern.

Aus diesem Grund ist bei einer vorteilhaften Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß der Vorkörper im wesentlichen ohne Lagerungszeit nach dem Aushärten des Bindemittels pyrolysiert wird.

Eine andere Möglichkeit ist die, daß der Vorkörper nach dem Aushärten des Bindemittels feuchtigkeitsinert gelagert wird.

Eine derartige feuchtigkeitsinerte Lagerung des Vorkörpers sieht beispielsweise das luftdicht abgeschlossene Lagern des Vorkörpers nach dem Aushärten des Bindemittels vor.

Besonders günstig ist es dabei, wenn die luftdichte Lagerung durch Einschweißen des Vorkörpers in eine Folie durchgeführt wird.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Vorkörper nach dem Aushärten des Bindemittels unter Inertgas gelagert wird.

Um die Feuchtigkeit aus dem Vorkörper zu entfernen, sieht eine weitere vorteilhafte Lösung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, daß der offenporöse Vorkörper vor der Pyrolyse getrocknet wird.

Eine derartige Trocknung könnte dabei in einem einstufigen Trocknungsverfahren erfolgen.

Um möglichst schonend zu trocknen, sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, daß die Trocknung in mehreren Temperaturstufen erfolgt.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß die Trocknungstemperatur in einer ersten Trocknungsstufe zwischen Raumtemperatur und maximal ungefähr 35°C liegt.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die Trocknungstemperatur in einer zweiten Trocknungsstufe im Bereich zwischen ungefähr 35°C und maximal ungefähr 70°C liegt.

Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die Trocknungstemperatur in einer dritten Trocknungsstufe zwischen ungefähr 70°C und maximal ungefähr 110°C liegt.

Um den Trocknungsvorgang möglichst schonend durchführen zu können, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, daß die Aufheizgeschwindigkeit beim Trocknen maximal 10 Grad pro Minute beträgt.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Haltezeit in einer Trocknungsstufe höchstens 20 Stunden beträgt.

Die Pyrolyse erfolgt unter Intertatmosphäre oder Vakuum.

Die Trocknung kann dabei vor der Pyrolyse als separater Verfahrensschritt erfolgen. Es ist aber auch denkbar, die Pyrolyse derart anzufahren, daß beispielsweise in einer ersten Pyrolysestufe eine Trocknung mit integriert ist.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß die Pyrolyse des Vorkörpers unter Stickstoffatmosphäre erfolgt.

Eine Möglichkeit sieht dabei vor, daß die Pyrolyse bei einem Stickstoffatmosphärendruck von mindestens 1000 mbar erfolgt.

Eine andere Möglichkeit sieht vor, daß die Pyrolyse des Vorkörpers bei einem Druck von weniger als 1000 mbar erfolgt.

Ferner kann die Pyrolyse in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Pyrolyse des Vorkörpers einstufig erfolgt.

In einem derartigen Fall ist dabei vorgesehen, daß bei der einstufigen Pyrolyse eine Aufheizung von Raumtemperatur bis maximal 1700°C erfolgt.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß die einstufige Pyrolyse während einer Gesamtdauer von nicht mehr als 120 Stunden erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Lösung insbesondere im Hinblick auf eine vollständige Pyrolyse sieht vor, daß die Pyrolyse des Vorkörpers mindestens zweistufig erfolgt.

Beispielsweise ist dabei vorgesehen, daß in einer ersten Pyrolysestufe eine Aufheizung von Raumtemperatur auf maximal 900°C erfolgt.

Ferner sieht eine günstige Lösung vor, daß nach der ersten Pyrolysestufe eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt.

Die Gesamtdauer der Pyrolyse in der ersten Pyrolysestufe beträgt dabei vorzugsweise nicht mehr als 120 Stunden.

Ferner ist es zur Vervollständigung der Pyrolyse günstig, wenn die Pyrolyse in einer zweiten Pyrolysestufe eine Temperaturbehandlung von Raumtemperatur bis maximal 1700°C vorsieht.

Dabei ist insbesondere bei der zweiten Pyrolysestufe vorgesehen, daß der Ofenraum evakuiert wird und der Druck im Bereich zwischen ungefähr 0,1 mbar und ungefähr 10 mbar liegt.

Nach Beendigung der zweiten Pyrolysestufe ist vorzugsweise vorgesehen, daß eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt.

Besonders günstig ist es, bei der Pyrolyse bis zum Erreichen von ungefähr 400°C die Temperatur langsam, d. h. über einen Zeitraum von mindestens 10 Stunden, ansteigen zu lassen, um Rißbildungen so gering wie möglich zu halten.

Hinsichtlich der Porosität des bei der Pyrolyse entstehenden offenporösen Kohlenstoffkörpers werden vorzugsweise Werte zwischen ungefähr 30 Vol.-% bis ungefähr 80 Vol.-% erreicht. Noch besser ist es, wenn der offenporöse Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 35 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik dann herstellbar, wenn der Kohlenstoffkörper eine durchgängig offene insbesondere isotrope Porosität aufweist.

Ferner ist es für die Silizierung günstig, wenn der Kohlenstoffkörper im wesentlichen richtungungsunabhängige insbesondere Infiltrationseigenschaften für Silizium umfassende Materialien, insbesondere Silizium und Siliziumlegierungen, aufweist.

Um nach der Silizierung des Kohlenstoffkörpers eine Bearbeitung desselben weitgehend vermeiden. zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Kohlenstoffkörper in einer endkonturnahen Form hergestellt wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die herzustellende Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik dem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Bauteil entspricht.

Alternativ dazu ist vorgesehen, daß der Kohlenstoffkörper als eine Teilform einer endkonturnahen Form hergestellt wird, d. h. daß aus mehreren bereits pyrolysierten Teilformen dann das gewünschte Bauteil dadurch hergestellt wird, daß die Teilformen miteinander verbunden und anschließend das gesamte Bauteil siliziert wird.

Die Silizierung könnte prinzipiell in beliebiger Art und Weise, beispielsweise auch mit Dampf erfolgen.

Als besonders geeignet hat es sich jedoch erwiesen, wenn die Silizierung in Form einer Flüssigsilizierung durchgeführt wird.

Vorzugsweise liegt die Temperatur bei einer derartigen Flüssigsilizierung oberhalb von 1400°C.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Druck des Stickstoffs bei der Silizierung im Bereich zwischen ungefähr 0,01 mbar und ungefähr 10 mbar liegt.

Bei der Durchführung der Silizierung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Maximaltemperatur bei der Silizierung bis zu zwei Stunden gehalten wird.

Ferner ist es, beispielsweise um eine weitgehend durchkeramisierte Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik zu erhalten, vorteilhaft, wenn bei der Silizierung mindestens ungefähr 200 % Silizium bezogen auf die Masse des Kohlenstoffkörpers angeboten werden.

Dabei wird zweckmäßigerweise bei der Silizierung ein Siliziumgranulat eingesetzt, dessen Korngröße zwischen ungefähr 0,1 mm und ungefähr 10 mm liegt.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der silizierte Kohlenstoffkörper mit einer homogenen gradientenfreien, insbesondere isotropen Siliziumcarbid-Keramikstruktur hergestellt wird.

Darüber hinaus wird die eingangs gestellte Aufgabe auch durch ein Bauteil aus Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik, umfassend einen mit Silizium umfassenden Materialien, insbesondere Silizium und Siliziumlegierungen, infiltrierten und dadurch im wesentlichen zu Silizium umfassendem Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, keramisierten Kohlenstoffkörper, gelöst, bei welchem der Kohlenstoffkörper eine durch Verwendung von mindestens zellulosehaltigem Pulver als Ausgangsbestandteil eine im wesentlichen homogene Porenstruktur aufweist.

Der Vorteil dieser Lösung ist neben den vorstehend genannten Vorteilen auch darin zu sehen, daß durch das Bauteil selbst homogene und definierte Eigenschaften aufweist.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der offenporige Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 30 Vol.-% bis ungefähr 80 Vol.-% liegt.

Noch besser ist es, wenn der offenporöse Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 35 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt.

Besonders zweckmäßig ist das erfindungsgemäße Bauteil dann, wenn der Kohlenstoffkörper eine im wesentlichen durchgängige offene, isotrope Porosität aufweist.

Ferner ist es hinsichtlich der Härte des Bauteils von besonderem Vorteil, wenn der Kohlenstoffkörper im wesentlichen richtungsunabhängig, insbesondere isotrop, von dem Silizium umfassenden Materialien infiltriert ist.

Um das erfindungsgemäße Bauteil besonders einfach herzustellen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Kohlenstoffkörper eine endkonturnahe Form aufweist.

Alternativ ist dann, wenn das Bauteil selbst aus mehreren Teilen hergestellt werden soll, vorgesehen, daß der Kohlenstoffkörper eine Teilform einer endkonturnahen Form aufweist.

Darüber hinaus ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der silizierte Kohlenstoffkörper eine im wesentlichen homogene, gradientenfreie, insbesondere isotrope, Silizium umfassende Carbid-Keramikstruktur, insbesondere Siliziumcarbid-Keramikstruktur, aufweist.

Eine besonders günstige Form eines Bauteils sieht vor, daß die Siliziumcarbid-Keramik eine Dichte von mehr als 2,9 g/cm³ aufweist. Noch besser ist es, wenn die Dichte mehr als 3 g/cm³ beträgt.

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft ferner auch einen Vorkörper zur Herstellung von Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik aus Silizium umfassender Carbid-Keramik, insbesondere Siliziumcarbid-Keramik, durch Infiltration von Silizium umfassenden Materialien, insbesondre Silizium oder Siliziumlegierungen, in einen aus einem derartigen Vorkörper durch Pyrolyse hergestellten Kohlenstoffkörper, wobei erfindungsgemäß der Vorkörper mindestens gebundenes zellulosehaltiges Pulver als Ausgangsbestandteil aufweist.

Besonders günstig ist es dabei, wenn die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner als 300 μm, noch besser kleiner 100 μm und noch besser 50 μm aufweisen.

Dabei kann das zellulosehaltige Pulver unterschiedlichster Herkunft sein. Besonders günstig ist es, wenn das zelluloshaltige Pulver von einer kapillaren Zellstruktur freie Partikel aufweist.

Eine besonders vorteilhafte Art des zellulosehaltigen Pulvers sieht vor, daß dieses Holzpulver umfaßt.

Alternativ zum Holzpulver ist vorgesehen, daß das zellulosehaltige Pulver von zellularen Strukturen freie Partikel umfaßt.

Eine besonders günstige Form der von zellularen Strukturen freien Partikel sind Zellulosepulverpartikel.

Prinzipiell könnte der Vorkörper lediglich durch Verpressen des zellulosehaltigen Pulvers hergestellt sein. Besonders günstig ist es jedoch, wenn als Ausgangsbestandteil ein Bindemittel zugesetzt ist.

Hinsichtlich des Bindemittels sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß dieses ein Phenolharz umfaßt.

Da der erfindungsgemäße Vorkörper nicht nur durch zellulosehaltiges Pulver als Ausgangsbestandteil hergestellt werden kann, sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, daß als Ausgangsbestandteil für die Herstellung des Vorkörpers dem zellulosehaltigen Pulver mindestens ein Additiv zugesetzt ist.

Vorzugsweise ist auch dieses Additiv pulverförmig und hat eine Korngröße in einer geeigneten Größe. Besonders günstig ist es, wenn das Additiv eine Korngröße aufweist, welche in der Größenordnung der Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers liegt oder kleiner ist. Noch günstiger ist es, wenn die Korngröße des mindestens einen Additivs und des zellulosehaltigen Pulvers sich maximal um einen Faktor 5 noch besser maximal einen Faktor 3 unterscheiden.

Das Additiv kann in unterschiedlichster Art und Weise gewählt werden. Eine Möglichkeit sieht vor, ein reaktives Additiv zu wählen, eine andere Möglichkeit, ein nicht reaktives Additiv.

Vorzugsweise hat dabei der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität, die im Bereich zwischen ungefähr 10 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-%, noch besser zwischen ungefähr 20 Vol.-% und ungefähr 60 Vol.-% liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung von ersten Verfahrensschritten bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung eines Pressens eines Formkörpers bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine Darstellung eines Dichteprofils bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 eine schematische Darstellung eines Trocknungsvorgangs bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 eine schematische Darstellung einer Temperaturführung während eines Trocknungsprozesses beim ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 eine schematische Darstellung einer Kraftbeaufschlagung eines Vorkörpers bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 eine schematische Darstellung einer Temperaturführung während der Pyrolyse des Vorkörpers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
8 eine schematische Darstellung einer Anordnung des Kohlenstoffkörpers während der Silizierung;
9 eine schematische Darstellung einer Temperaturführung während der Silizierung des Kohlenstoffkörpers bei dem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
10 ein Gefügebild eines Anschliffs der Oberfläche bei einer SiC-Keramik gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
11 ein Gefügebild eines Querschliffs der SiC-Keramik gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
12 eine schematische Darstellung der ersten Verfahrensschritte ähnlich 1 bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und
13 eine schematische Darstellung einer Temperaturführung bei einer einstufigen Pyrolyse entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Tabelle 1 eine tabellarische Darstellung einer Entwicklung von Porosität und Dichte im Verlauf des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Tabelle 2 eine tabellarische Darstellung der Entwicklung von Porosität und Dichte bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Tabelle 3 eine tabellarische Darstellung der Entwicklung von Porosität und Dichte bei dem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Platte als Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik sieht vor, daß als Ausgangsbestandteile Holzmehl 10, in diesem Fall Buchenmehl, mit einer Korngröße von kleiner 50 μm, und ein Bindemittel 12, beispielsweise Phenolharz mit einer Korngröße von kleiner 15 μm, miteinander in einem Mischer 14 trocken vermischt werden, wobei der Massenanteil des Holzmehls beispielsweise 77 % beträgt und der Massenanteil des Bindemittels 23 % (1).
Das in dem Mischer 14 mit dem Bindemittel 12 trocken vermischte Holzmehl wird dann in eine Ausnehmung 18 einer Form 16 gegeben, wobei die Ausnehmung 18 die Grundform der herzustellenden Platte aus Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik hat.
In der Form 16 erfolgt, wie in 2 dargestellt, ein Verdichten der trockenen Mischung aus Holzmehl 10 und Bindemittel 12 zu einem Formkörper 20 bei Preßdrücken von bis zunächst zu 15 MPa, jedoch dergestalt, daß in dem Formkörper 20 das Bindemittel 12 noch nicht ausgehärtet ist.
Der Formkörper hat, wie in 3 dargestellt, ein Dichteprofil, welches zeigt, daß das Gefüge des Formkörpers 20 homogen und gradientenfrei ist.
Dieser Formkörper 20 wird nach dem Verpressen unter mindestens teilweiser Aufrechterhaltung des Preßdruckes in der Form 16 aufgeheizt, um das Bindemittel 12 auszuhärten. Der Aufheizvorgang sieht dabei vor, daß der Formkörper 20 auf Temperaturen bis zu 220°C erhitzt wird, um zu erreichen, daß das Bindemittel 12 im wesentlichen vollständig aushärtet und sich innig mit dem Holzmehl 10 verbindet.
Dabei entsteht ein Vorkörper 22, welcher aufgrund des ausgehärteten Bindemittels 12 in sich formstabil ist.
Dieser Vorkörper 22 wird nachfolgend, wie in 4 dargestellt, in einem Trockenschrank unter Luft getrocknet, wobei ein Masseverlust von 0,1 M.-% auftritt. Der Trocknungsprozeß in dem Trockenschrank 24 läuft dabei entsprechend 5 in mehreren Trockungsstufen ab.
D. h., der Vorkörper wird zunächst auf eine Temperatur von 35°C erwärmt und in einer ersten Trocknungsstufe auf dieser Temperatur für ungefähr 24 Stunden gehalten. Danach erfolgt ein Erhitzen auf ungefähr 70°C und Halten dieser Temperatur in einer zweiten Trocknungsstufe für weitere 24 Stunden und anschließend erfolgt ein Erhitzen auf 110°C und Halten dieser Temperatur während einer dritten Trocknungsstufe für ungefähr weitere 24 Stunden. Im Anschluß erfolgt dann ein Abkühlen.
Das Trocknen des Vorkörpers 22 dient dazu, daß adsorptiv an der Oberfläche der Holzmehlpartikel gebundene sowie das durch die Polykondensation des Bindemittels beim Aushärten entstandene Restwasser zu entfernen.
Der in 5 dargestellte Trocknungsprozeß ist in drei Trocknungsstufen unterteilt, um ein möglichst schonendes Trocknen des Vorkörpers zu erreichen, wobei insbesondere eine Rißbildung im Vorkörper vermieden werden soll.
Der Vorkörper hat, wie beispielsweise in Tabelle 1 dargestellt, eine Porosität von ungefähr 38 Vol.-% und eine Dichte von ungefähr 0,9 g/cm³.
Dieser Vorkörper 22 wird nun, wie in 6 dargestellt, unter mechanischer Belastung mit ungefähr 0,1 N/cm² pyrolysiert, und zwar unter Stickstoff als Schutzgas bei Drücken von ungefähr 1050 mbar. Die Temperaturführung in der Pyrolyseeinrichtung ist in 7 schematisch dargestellt, wobei im Verlauf einer ersten, ungefähr 90 Stunden dauernden Pyrolysestufe zunächst während der ersten 70 Stunden eine schrittweise Erhöhung der Temperatur bis ungefähr 380°C erfolgt, beispielsweise eine schrittweise Erhöhung der Temperatur in insgesamt vier Schritten. Nachfolgend erfolgt in der ersten Pyrolysestufe ein Erhöhen der Temperatur auf ungefähr 900°C. Die Temperatur von ungefähr 900°C ist nach ungefähr 80 Stunden erreicht. Im Anschluß daran erfolgt zur Beendigung der ersten Pyrolysestufe eine Abkühlung auf Raumtemperatur, die nach ungefähr 90 Stunden erreicht ist.
Im Rahmen einer zweiten Pyrolysestufe erfolgt dann ein rasches Aufheizen von Raumtemperatur bis auf eine Temperatur von ungefähr 1650°C, die nach ungefähr 110 Stunden erreicht wird und im Anschluß daran ein Abkühlen auf Raumtemperatur, die bei ungefähr 128 Stunden wieder erreicht wird.
Während der ersten, insgesamt 90 Stunden dauernden Pyrolysestufe tritt dabei eine Massenreduktion von 64 % auf, und bei der nachfolgenden zweiten Pyrolysestufe unter reduziertem Druck von weniger als 2 mbar eine weitere Massenreduzierung um weitere 6,4 %.
Damit hat nach der Pyrolyse der Vorkörper 22 insgesamt ungefähr einen Masseverlust von 66,3 % erfahren.
Die Porosität und die Dichte des Vorkörpers nach der ersten Pyrolysestufe und der zweiten Pyrolysestufe sind ebenfalls in Tabelle 1 dargestellt. Nach der ersten Pyrolysestufe beträgt die Porosität ungefähr 52 Vol.-% und die Dichte ungefähr 0,87 g/cm³, während nach der zweiten Pyrolysestufe die Porosität ungefähr 56 Vol.-% beträgt und die Dichte ungefähr 0,85 g/cm³.
Der gesamte Längenschwund während der Pyrolyse betrug ungefähr 26 Längen-%, während der gesamte Volumenschwund ungefähr 64 Vol.-% betrug.
Der nach der Pyrolyse aus dem Vorkörper 22 entstandene Kohlenstoffkörper 26 wird, wie in 8 dargestellt, zur Herstellung der Strukturkeramik oder Funktionskeramik siliziert, wobei der Kohlenstoffkörper 26 liegend mit der vierfachen Menge an Silizium 28 bezogen auf die Masse des Kohlenstoffkörpers siliziert wird. Dabei werden ungefähr 50 % des Siliziums 28 von oben und 50 % des Siliziums 28 von unten angeboten. Das Silizium hat dabei eine Korngröße von 0,1 bis ungefähr 10 mm.
Das Silizium 28 wird dabei durch Aufheizen gemäß 9 verflüssigt, dringt in die offenen Poren des Kohlenstoffkörpers 26 ein und führt dort zur Bildung einer SiC-Keramik, die dicht und nahezu porenfrei ist, wobei eine Siliziummassenaufnahme durch den Kohlenstoffkörper 26 von ungefähr 306 Masse-% erfolgt.
Die Temperaturführung bei der Silizierung des Kohlenstoffkörpers 26 ist in 9 im Detail dargestellt. Dabei ist erkennbar, daß zunächst während der ersten 10 Stunden eine lineare Temperaturerhöhung auf ungefähr 900°C erfolgte. Danach erfolgte im Verlauf von ungefähr 2 Stunden ein Anstieg auf 1000°C und ab 1000°C eine lineare Temperaturerhöhung auf 1650°C bis ungefähr 22 Stunden.
Die Abkühlung erfolgte dann von 1650°C auf ungefähr 1000°C bis zum Erreichen von ungefähr 25 Stunden und ab 1000°C erfolgte eine lineare Abkühlung auf Raumtemperatur bis ungefähr 37 Stunden.
Die entstandene Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik hat, wie die Gefügebilder in 10 und 11 zeigen, nahezu keine Poren. Dies ergibt sich auch aus Tabelle 1, in welcher für die Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik eine Porosität von ungefähr 0,08 Vol.-% und eine Dichte von ungefähr 3,07 g/cm³ angegeben wird.
Die mittlere Biegefestigkeit der Struktur- oder Funktionskeramik beträgt ca. 400 MPa, bei einer Härte von HR 83, die nach dem Rockwell-Verfahren bestimmt wurde.
In 10 und 11 sind Gefügebilder der Keramik gezeigt. Nasschemisch ermittelt beträgt der SiC-Volumenanteil liegt bei ca. 82,7 %, der C-Anteil bei ca. 0,18 % und der Si-Anteil bei ca. 17,12 % bei einer offenen Restporosität von ca. 0,1 %.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, schematisch dargestellt in 12, werden als Ausgangsbestandteile nicht nur Holzmehl 10, beispielsweise Buchenmehl, und Binder 12, sondern zusätzlich als Additiv Ruß 30 in dem Mischer 14 trocken gemischt, wobei beispielsweise der Anteil des Holzmehls 10 ungefähr 54,5 Masse-% beträgt, der Anteil des Bindemittels ungefähr 13,5 Masse-% und der Anteil des Additivs 30, beispielsweise in Form von Ruß, 32 Masse-% beträgt. Das Verpressen dieser Mischung in der Form 16 erfolgt – in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel – bei ungefähr 15 bar und nachfolgend erfolgt eine Aufheizung des Formkörpers 20 zur Bildung des Vorkörpers 22 unter Aushärten des Bindemittels 12 auf eine Temperatur von ungefähr 220°C.
Ohne weitere Vortrocknung wird der dabei entstandene Vorkörper 22 unmittelbar im Anschluß an das Aushärten des Bindemittels pyrolysiert.
Die Porosität und Dichte des Vorkörpers vor der Pyrolyse, nach der ersten Pyrolysestufe und nach der Pyrolysestufe sind dabei in Tabelle 2 dargestellt.
Durch die Verwendung des Additivs 30 in Form von Ruß betrug der Massenverlust bei der Pyrolyse nach der zweiten Pyrolysestufe nur ca. 45 % und die lineare Dimensionsänderung betrug ca. 10 %.
Aufgrund des verminderten Massenverlustes und der reduzierten Volumenschwindung durch das Additiv konnte ein Verzug der Platte während der Pyrolyse vermieden werden.
Im übrigen erfolgte die Pyrolyse in gleicher Weise wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Vorkörper 22 in gleicher Weise hergestellt, wie im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben und in 12 schematisch dargestellt.
In Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels erfolgt allerdings die Pyrolyse in Form einer einstufigen Pyrolyse, wobei die Temperaturführung der einstufigen Pyrolyse in 13 dargestellt ist. Ferner betrug der Druck des Stickstoffs weniger als 200 mbar bis zum Erreichen einer Temperatur von ungefähr 900°C und ab einer Temperatur von 900°C wurde der Druck des Stickstoffs auf weniger als 2 mbar reduziert, so lange, bis eine Temperatur von 1650°C erreicht wurde. Die Temperatur von ungefähr 1650°C wurde nach ungefähr 32 Stunden erreicht und nachfolgend bis ungefähr 35 Stunden erfolgte ein Abkühlen auf Raumtemperatur.
Bei Verwendung des Vorkörpers 22 trat bei der einstufigen Pyrolyse und hohen Aufheizraten von ungefähr 35 Grad pro Stunde ein Massenverlust von ca. 49 % auf. Die Längen- und Dickenänderung des Vorkörpers 22 betrug jeweils ca. 11 %. Durch die isotrope Schwindung des Vorkörpers 22 während der Pyrolyse konnte der Vorkörper 22 auch ohne mechanische Druckbelastung rißfrei pyrolysiert werden.
Die sich in diesem einstufigen Pyroslyseprozesse der ohne mechanische Beschwerung durchgeführt wurde, ergebenden offene Porositäten und Dichten, diese sind in Tabelle 3 ebenfalls zusammenfassend dargestellt. Folgende Phasenteile wurden nasschemisch ermittelt:

Sic 66,82 Vol.-%

Si 33,15 Vol.-%

C 0,03 Vol.-%
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel ist das erste Ausführungsbeispiel insoweit abgewandelt, daß kein Bindemittel verwendet wird, sondern das Holzmehl 10 lediglich durch Verpressen zum Vorkörper gebunden wird.
Im übrigen entspricht das vierte Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel wird in Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels anstelle von Holzmehl 10 Zellulosepulver eingesetzt und ebenfalls nur durch Verpressen gebunden, so daß ein ausreichend stabiler Vorkörper entsteht. Tab. 1: Porosität und Dichte der Probe aus Beispiel 1 während der verschiedenen Prozessstufen
Tab. 2: Porosität und Dichte der Probe aus Beispiel 2 während der verschiedenen Prozessstufen
Tab. 3: Porosität und Dichte der Probe aus Beispiel 3 während der verschiedenen Prozessstufen

Claims

Verfahren zur Herstellung von Strukturkeramiken und/oder Funktionskeramiken aus Siliziumcarbid-Keramik, bei welchem aus einem zellulosehaltigen Werkstoff ein poröser Vorkörper hergestellt wird, der poröse Vorkörper mittels Pyrolyse in einen offenporösen Kohlenstoffkörper umgewandelt wird und der offenporöse Kohlenstoffkörper durch Infiltration von Silizium umfassenden Materialien in eine Silizium umfassende Carbid-Keramik, insbesondere Siliziumcarbidkeramik, umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Vorkörpers als Ausgangsbestandteil mindestens zellulosehaltiges Pulver verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner als 300 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner 100 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner als 50 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver von einer kapillaren Zellstruktur freie Partikel aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver eine Korngröße von kleiner als 50 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver eine Korngröße von kleiner als 30 μm aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver Holzpulver umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver frei von zellularen Strukturen ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver Zellulosepulver umfaßt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ausgangsbestandteile Bindemittel ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel trockenes Bindemittel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das trockene Bindemittel pulverförmig dem zellulosehaltigen Pulver zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Bindemittel eine Korngröße von kleiner 15 μm aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Phenolharz umfaßt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers und des Bindemittels in ungefähr der gleichen Größenordnung liegen.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers und des Bindemittels sich um maximal einen Faktor 3 voneinander unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des zelluloshaltigen Pulvers und des Bindemittels sich im wesentliche nicht unterscheiden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbestandteil noch mindestens ein Additiv zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv pulverförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv eine Korngröße aufweist, welche in der Größenordnung der Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers liegt oder kleiner ist.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des mindestens einen Additivs und des zellulosehaltigen Pulvers sich um maximal einen Faktur 5 unterscheiden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Additiv ein reaktives Additiv zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß als reaktives Additiv Kohlenstoffpulver, wie Ruß und/oder Graphit zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß als Additiv ein nicht reaktives Additiv zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht reaktives Additiv Carbide und/oder Boride und/oder Nitride und/oder Silizide und/oder Oxide zugesetzt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile trocken gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile durch Mischen homogenisiert werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile in eine Form eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile trocken in die Form eingegeben werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile zu einem Formkörper verpresst werden.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der Ausgangsbestandteile zum Formkörper bei Pressdrücken von bis zu 15 MPa erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten der Ausgangsbestandteile zu dem Formkörper ohne Härtung des Bindemittels erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile im wesentlichen ohne Erwärmung zu dem Formkörper verpreßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen so erfolgt, daß der Formkörper eine Dichte aufweist, welche im Bereich von ungefähr 0,4 g/cm³ bis ungefähr 1,5 g/cm³ liegt.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen so erfolgt, daß der Formkörper eine Dichte aufweist, welche im Bereich von ungefähr 0,65 g/cm³ bis ungefähr 1,0 g/cm³ liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Vorkörpers der Formkörper auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei welcher eine Aushärtung des Bindemittels erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen des Formkörpers derart erfolgt, daß das Bindemittel im wesentlichen vollständig aushärtet.
Verfahren nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Aushärten des Bindemittels bei Temperaturen bis 220°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Formkörpers in einer Presse erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 10 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 20 Vol.-% und ungefähr 60 Vol.-% liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper im wesentlichen ohne Lagerungszeit nach dem Aushärten des Bindemittels pyrolysiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper nach dem Aushärten des Bindemittels feuchtigkeitsinert gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper nach dem Aushärten des Bindemittels luftdicht abgeschlossen gelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die luftdichte Lagerung durch Einschweißen des Vorkörpers in eine Folie durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 44 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper nach Aushärten des Bindemittels unter Inertgas gelagert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Vorkörper vor der Pyrolyse getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung bei mehreren Temperaturstufen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknungstemperatur in einer ersten Trocknungsstufe zwischen Raumtemperatur und maximal ungefähr 35°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 49 oder 50, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknungstemperatur in einer zweiten Trocknungsstufe im Bereich zwischen ungefähr 35°C und maximal ungefähr 70°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 49 bis 51, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknungstemperatur in einer dritten Trocknungsstufe zwischen ungefähr 70°C bis maximal ungefähr 110°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 52, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufheizgeschwindigkeit beim Trocknen maximal 10 Grad/min beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 48 bis 53, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit in einer Trocknungsstufe mindestens ungefähr 20 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse des Vorkörpers unter Stickstoffatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse bei einem Stickstoffatmosphärendruck von mindestens 1000 mbar erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse des Vorkörpers bei einem Druck von weniger als 1000 mbar erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse des Vorkörpers einstufig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß bei der einstufigen Pyrolyse eine Aufheizung von Raumtemperatur bis maximal ungefähr 1700°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet, daß noch die einstufige Pyrolyse während einer Gesamtdauer von nicht mehr als 120 Stunden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 57, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse des Vorkörpers mindestens zweistufig erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Pyrolysestufe eine Aufheizung von Raumtemperatur auf maximal 900°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Pyrolysestufe eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 62 oder 63, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse in einer ersten Pyrolysestufe während einer Gesamtdauer von nicht mehr als 120 Stunden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 61 bis 64, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse in einer zweiten Pyrolysestufe eine Temperaturbehandlung von Raumtemperatur bis maximal 1700°C umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 61 bis 65, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse in der zweiten Pyrolysestufe bei einem Druck zwischen ungefähr 0,1 mbar und ungefähr 10 mbar erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 61 bis 66, dadurch gekennzeichnet, daß nach der zweiten Pyrolysestufe eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 30 Vol.-% bis ungefähr 80 Vol.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 68, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 35 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper eine im wesentlichen isotrope Porosität aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper im wesentlichen richtungsunabhängige Infiltrationseigenschaften für Silizium umfassende Materialien aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper in einer endkonturnahen Form hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 71, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper als eine Teilform einer endkonturnahen Form hergestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicierung in Form einer Flüssigsilicierung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei der Silicierung oberhalb von 1400 °C liegt.
Verfahren nach Anspruch 74 oder 75, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Stickstoffs bei der Silizierung im Bereich zwischen ungefähr 0,1mbar und ungefähr 10mbar liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 74 bis 76, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximaltemperatur bei der Silicierung bis zu zwei Stunden gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 74 bis 77, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Silicierung mindestens ungefähr 200% Silizium bezogen auf die Masse des Kohlenstoffkörpers angeboten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 74 bis 78, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Silizierung ein Siliziumgranulat eingesetzt wird, dessen Korngröße zwischen ungefähr 0,1 mm und ungefähr 10 mm liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der silizierte Kohlenstoffkörper mit einer im wesentlichen isotropen Siliziumcarbid-Keramikstruktur hergestellt wird.
Bauteil aus Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik, umfassend einen mit Silizium umfassende Materialien infiltrierten und dadurch im wesentlichen zu Silizium umfassendem Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, keramisierten Kohlenstoffkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper eine durch Verwendung von mindestens zellulosehaltigem Pulver und Bindemittel als Ausgangsbestandteile eine im wesentlichen homogene Porenstruktur aufweist.
Bauteil nach Anspruch 81, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 30 Vol.-% bis ungefähr 80 Vol.-% liegt.
Bauteil nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Kohlenstoffkörper eine Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 35 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 81 bis 83, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper eine im wesentlichen isotrope Porosität aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 81 bis 84, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper im wesentlichen isotrop von den Silizium umfassenden Materialien, insbesondere Silizium, infiltriert ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 81 bis 85, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper eine endkonturnahe Form aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 81 bis 85, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffkörper eine Teilform einer endkonturnahen Form aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 81 bis 87, dadurch gekennzeichnet, daß der silizierte Kohlenstoffkörper eine im wesentlichen homogene, gradientenfreie, insbesondere isotrope, Silizium umfassende Carbid-Keramikstruktur, insbesondere Siliziumcarbid-Keramikstruktur, aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 81 bis 88, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumcarbid-Keramikstruktur eine Dichte von mehr als 2,9 g/cm³ aufweist.
Bauteil nach Anspruch 89, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte größer als 3 g/cm³ ist.
Vorkörper zur Herstellung von Strukturkeramik und/oder Funktionskeramik aus Silizium umfassender Carbidkeramik, insbesondere Siliziumcarbid-Keramik, durch Infiltration von Silizium umfassenden Materialien in einen aus einem derartigen Vorkörper durch Pyrolyse hergestellten Kohlenstoffkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper mindestens gebundenes zellulosehaltiges Pulver als Ausgangsbestandteil aufweist.
Vorkörper nach Anspruch 91, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner als 300 μm aufweisen.
Vorkörper nach Anspruch 92, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner 100 μm aufweisen.
Vorkörper nach Anspruch 93, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsbestandteile eine Korngröße von kleiner als 50 μm aufweisen.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 91 bis 94, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver von einer kapillaren Zellstruktur freie Partikel aufweist.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 91 bis 95, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver Holzpulver umfaßt.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 91 bis 96, dadurch gekennzeichnet, daß das zellulosehaltige Pulver von zellularen Strukturen freie Partikel umfaßt.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 90 bis 96, dadurch gekennzeichnet, daß die von zellularen Strukturen freien Partikel Zellulosepulverpartikel sind.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 91 bis 98, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkörper durch Bindemittel gebundenes zellulosehaltiges Pulver umfasst.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 91 bis 99, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsbestandteil für die Herstellung des Vorkörpers dem zellulosehaltigen Pulver mindestens ein Additiv zugesetzt ist.
Vorkörper nach Anspruch 100, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv pulverförmig ist.
Vorkörper nach Anspruch 101, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv eine Korngröße aufweist, welche in der Größenordnung der Korngröße des zellulosehaltigen Pulvers liegt oder kleiner ist.
Vorkörper nach Anspruch 102, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des mindestens einen Additivs und des zellulosehaltigen Pulvers sich um maximal einen Faktur 5 unterscheiden.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 100 bis 103, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv ein reaktives Additiv ist.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 100 bis 104, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv ein nicht reaktives Additiv ist.
Vorkörper nach einem der Ansprüche 91 bis 105, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 10 Vol.-% und ungefähr 70 Vol.-% liegt.
Vorkörper nach Anspruch 106, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporöse Vorkörper eine mittlere Porosität aufweist, die im Bereich zwischen ungefähr 20 Vol.-% und ungefähr 60 Vol.-% liegt.