DE10359491A1 - Hochfester Glaskörper - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundkörpers. Ein solches Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: DOLLAR A - Einem Kieselglaspulver werden Fasern zugesetzt, die eine gegenüber Glas erhöhte Festigkeit aufweisen; DOLLAR A - der Anteil der Fasern beträgt zwischen 10 und 30 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern; DOLLAR A - aus der Gesamtmenge von Kieselglas und Fasern wird ein Vorformling nach dem Schlickergussverfahren hergestellt; DOLLAR A - der Vorformling wird gesintert, so dass der Verbundkörper entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Glaskörpers, das heißt eines Glaskörpers, der hohen mechanischen Beanspruchungen unterworfen werden kann.
  • Es ist bekannt, Glaskörper herzustellen, deren Festigkeit diejenige des Glasmateriales übersteigt. Dies wird durch Einbetten von hochfesten Fasern in das Glasmaterial erreicht. Gläser dieser Art werden unter der eingetragenen Marke „FORTADUR®" und „DURAN®" vertrieben.
  • Körper aus einem solchen Verbundwerkstoff haben sich zwar grundsätzlich bewährt. Sie haben jedoch den Nachteil, dass der Anteil der Fasern, bezogen auf das Gesamtgewicht des Körpers, relativ hoch ist. Da die verwendeten Fasern teuer sind, ist auch der Preis des Verbundmateriales entsprechend hoch. Außerdem hat ein solches Verbundmaterial ein relativ hohes spezifisches Gewicht.
  • Ein weiterer Nachteil kann – je nach Anwendungsfall – darin bestehen, dass Körper aus dem genannten Verbundmaterial aufgrund ihrer relativ großen Masse eine hohe Wärmekapazität und eine große thermische Trägheit aufweisen, was für eine rationelle Fertigung von Glaskörpern aus Verbundmaterial nachteilig sein kann.
  • Körper aus dem genannten Verbundmaterial haben noch einen weiteren Nachteil: Werden solche Körper beispielsweise auf Biegung beansprucht, so werden die Kräfte zwar durch die Fasern aufgenommen, jedoch kommt es im Glasmaterial selbst zu Rissbildungen und Brüchen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem sich auf kostengünstige und einfache Weise ein Glaskörper herstellen lässt, der ein geringes spezifisches Gewicht und eine hohe Festigkeit aufweist, und der somit ebenfalls kostengünstig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
  • Die wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die folgenden:
    Die Erfinder gehen von Kieselglas (SiO2) aus. Dieses liegt zunächst in Pulverform vor. Dem Kieselglaspulver werden geeignete Fasern zugesetzt, die eine entsprechende Festigkeit aufweisen.
  • Aus der Gesamtmenge aus Kieselglaspulver und Fasern wird eine Aufschlämmung (Slurry) gebildet. Aus dieser Aufschlämmung wird ein Vorformling nach dem sogenannten Schlickergussverfahren hergestellt. Der Vorformling wird gesintert, so dass der Glaskörper entsteht.
  • Der Glaskörper ist dabei porös. Die Poren können offenporig sein, das heißt allesamt miteinander in leitender Verbindung stehen. Sie können aber auch geschlossen-porig sein.
  • Wesentliche Parameter sind die folgenden:
    • – Der Anteil der Fasern an der Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern – beide absolut trocken – liegt zwischen 10 und 30 Gew.%, vorzugsweise 20 Gew.%.
    • – Die beim Herstellungsverfahren gewählten Parameter werden derart gewählt, dass die Porosität des Glasmateriales bei zwischen 5 und 15 Vol.% liegt, vorzugsweise bei 6 bis 10 Vol.%. Damit ist der Volumenanteil der Poren, bezogen auf das Glasmaterial gemeint.
  • Wichtige Parameter für die Porosität sind die Korngröße des Kieselglaspulvers, welches das Ausgangsprodukt darstellt, ferner die Sintertemperatur. Diese sollte bei 1000 bis 1500° Celsius liegen, im allgemeinen bei 1200° Celsius.
  • Ein Körper, der aus einem solchen Verbundmaterial hergestellt ist, weist die folgenden Eigenschaften auf: Er hat hohe Festigkeitswerte. Dies betrifft insbesondere die Biegefestigkeit und die Bruchzähigkeit.
  • Der Körper ist kostengünstig herstellbar, weil der Anteil an den teuren Fasern gering gehalten werden kann. Ein typischer Wert sind 20 Gew.% Fasern, bezogen auf das Gewicht des Gesamtkörpers. Bei den genannten vorbekannten Gläsern werden üblicherweise 40 % Fasern zugesetzt. Auch das Schlickergussverfahren trägt als einfach durchzuführendes Verfahren erheblich zum günstigen Preis eines solchen Körpers bei. Es ist somit nicht notwendig, einen Heißpressprozess anzuwenden.
  • Körper, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, können dünnwandig, filigran und leicht ausgefegt werden, verglichen mit herkömmlichem Material. Aufgrund der verringerten Masse wird die thermische Trägheit vermindert; ein Keramisierungsprozess kann schneller und wirtschaftlicher gefahren werden.
  • Werden kristalline Fasern eingebaut, so wird hierdurch die Wärmeleitfähigkeit gesteigert. Es können somit die betreffenden Bauteile schneller auf eine Soll-Temperatur gebracht werden.
  • Das erfindungsgemäße Verbundmaterial ist ideal geeignet für Brennhilfsmittel, zum Beispiel Keramisierungsunterlagen. Die Temperatur des Brenngutes oder eines zu keramisierenden Grünglasteiles wird gleichmäßig.
  • Die Fasern können mit Hochtemperatur-Gleitmitteln konditioniert werden, beispielsweise mit Schichtsilikaten oder Glimmern. Dadurch wird ein Herausziehen der Fasern vermieden (sogenannter pull-out-Efekt). Die Bruchfähigkeit des Verbundmateriales wird dadurch erhöht.
  • Im allgemeinen wird man das Verbundmaterial optimieren durch entsprechendes Abstimmen der Eigenschaften des Kieselglases und der Eigenschaften der Fasern. Dabei kommen Parameter in Betracht wie die Korngröße und die Korngrößenverteilung des Kieselglases sowie das Material, die Stärke und die Länge der Fasern.
  • Beim Herstellen der Vorform können die Fasern und das Kieselglaspulver entweder trocken oder nass miteinander gemischt werden. Auch kann ein Bindemittel zugesetzt werden, das beim Sintern ausbrennt.
  • Kompositprodukte, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurden, lassen sich in den verschiedensten Industriezweigen anwenden. Wie erwähnt, kommt vor allem die Glasindustrie selbst in Betracht, ferner Gießereien, vor allem für Aluminiumguss.
  • Das bemerkenswerte an der Erfindung ist, dass die erheblichen Vorteile vor allem durch Wahl der beiden folgenden Parameter erzielt werden: Durch den genannten relativ geringen Anteil an teuren Fasern sowie durch eine solche Gestaltung des Verfahrens, dass sich eine Porosität des Glasmateriales im genannten geringen Bereich ergibt.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Verbundkörpers aus Glas und Fasern, mit den folgenden Verfahrensschritten: 1.1 einem Kieselglaspulver werden Fasern zugesetzt, die eine gegenüber Glas erhöhte Festigkeit aufweisen; 1.2 der Anteil der Fasern beträgt zwischen 10 und 30 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern; 1.3 aus der Gesamtmenge von Kieselglas und Fasern wird ein Vorformling nach dem Schlickergussverfahren hergestellt; 1.4 der Vorformling wird gesintert, so dass der Verbundkörper entsteht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur über 1000° Celsius beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur zwischen 1100 und 1500° Celsius liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur bei 1200° Celsius ± 50° Celsius liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Kieselglases, die Sintertemperatur sowie weitere für die Porosität des Glasmaterial maßgebliche Parameter derart gewählt werden, dass das Glasmaterial eine Porosität von zwischen 3 und 15 % aufweist, bezogen auf das Gesamtvolumen des Glasmateriales.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Wahl solcher Parameter, dass das Glasmaterial eine Porosität von 5 bis 10 Vol.% aufweist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Fasern am Verbundkörper 20 Gew.% ± 5 % beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Fasern aus wenigstens einem der folgenden Stoffe bestehen: SiC Aluminosilikat Quarzglas Aluminiumborosilicat ZrO2 Oxynitrid Si3N4 hochschmelzende Metalle oder deren Legierungen Keramik.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern von kristallinem oder teilkristallinem Aufbau sind.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von weniger als 100 mm haben.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von weniger als 50 mm haben.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von über 100 mm haben.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern orientiert oder in zufälliger Ausrichtung der Aufschlämmung aus Kieselglas zugesetzt werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern als Gelege oder Gewebe oder Gewirke oder als sonstiger Faserverband in das Kieselglaspulver als Gelege oder Gewebe oder Gewirk oder als sonstiger Faserverband eingebettet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einem trockenen oder einem aufgeschlämmten Kieselglaspulver zugesetzt werden.
  16. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend die folgenden Einrichtungen: 16.1 eine Schlickergussform zum Aufnehmen eines aufgeschlämmten Kieselglaspulvers; 16.2 eine Einrichtung zum Zuführen von Fasern zum Kieselglaspulver in dessen trockener oder aufgeschlämmter Form; 16.3 eine Sintereinrichtung zum Sintern des in der Schlickergussform gebildeten Vorformlings.
  17. Verbundkörper, hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 und/oder einer Vorrichtung gemäß Anspruch 16.
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