DE10359491B4 - Method for producing a high-strength composite of glass and fibers - Google Patents

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Abstract

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 20 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern;
1.3 wobei die Fasern der Aufschlämmung aus Kieselglas orientiert oder in zufälliger Ausrichtung zugesetzt werden;
1.4 aus der Gesamtmenge von Kieselglas und Fasern wird ein Vorformling nach dem Schlickergussverfahren hergestellt;
1.5 der Vorformling wird gesintert, so dass der Verbundkörper entsteht,
1.6 wobei der Glaskörper porös ist.Method for producing a high-strength composite body made of glass and fibers, comprising the following method steps:
1.1 a silica glass powder fibers are added, which have an increased strength compared to glass;
1.2 the proportion of fibers is between 10 and 20 wt.%, Based on the total amount of silica glass and fibers;
1.3 wherein the fibers of the slurry of silica glass are oriented or added in random orientation;
1.4 from the total amount of silica glass and fibers, a preform is prepared by the slip casting method;
1.5 the preform is sintered to form the composite body,
1.6 wherein the glass body is porous.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Glaskörpers, das heißt eines Glaskörpers, der hohen mechanischen Beanspruchungen unterworfen werden kann.The The invention relates to a method for producing a high-strength Vitreous, this means a glass body, which can be subjected to high mechanical stresses.

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.It is known to produce glass body whose strength exceeds that of the glass material. This is achieved by embedding high strength fibers in the glass material. Glasses of this kind are sold under the registered trademark "Fortadur ®" and "DURAN ®".

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.Body out Such a composite material has proven itself in principle. she However, they have the disadvantage that the proportion of fibers, based on the total weight of the body, is relatively high. Since the fibers used are expensive, is also the Price of the composite material correspondingly high. Besides, has such a composite material has a relatively high specific gravity.

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.One Another disadvantage can - ever according to use case - in it exist that body from said composite material due to its relatively large mass a high heat capacity and a size thermal inertia show what a rational production of glass bodies made of composite material disadvantageous can be.

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.Body out said composite material have a further disadvantage: Be such bodies For example, claimed to bending, the forces are indeed absorbed by the fibers, but it comes in the glass material itself to cracks and fractures.

Aus dem Stand der Technik gemäß der DE 689 11 691 T2 sind Gefäße für flüssige Metalle, Werkstoffe für dieses Gefäß und Verfahren zur Herstellung des Materials bekannt. Das hitzebeständige Gefäß besteht aus einem hitzebeständigen Material und einer Armierung aus Verstärkungsdrähten, die den Bruch des Gefäßes unter der Wirkung eines Stoßes und den Verlust des im Gefäß enthaltenen Metalls verhindert.From the prior art according to the DE 689 11 691 T2 For example, vessels for liquid metals, materials for this vessel and methods for producing the material are known. The heat-resistant vessel is made of a heat-resistant material and reinforcing wire reinforcement which prevents breakage of the vessel under the impact and loss of the metal contained in the vessel.

Die Drähte liegen dabei im orientierten Verbund vor, wobei eine Mengenangabe fehlt. Somit spielt das Problem, in einem Verbundkörper einen möglichst geringen Faseranteil in gleichmäßiger Verteilung bereitzustellen, aufgrund der vorhandenen Armierung, keine Rolle.The wires lie here in the oriented association before, where a quantity is missing. Thus, the problem plays in a composite body as possible low fiber content in even distribution to provide, due to the existing reinforcement, no matter.

Die DE 199 48 739 A1 beschreibt die Verwendung eines Verbundwerkstoffs, bestehend aus einer Glas- oder Glaskeramikmatrix und Verstärkungsfasern, an Einrichtungen zum Handhaben von heißem Metall als Werkzeug, Werkzeugteil oder Beschichtungsmaterial derselben zum Kontaktieren von bis zu 1200°C heißem Metall. Es wird angegeben, dass ein Anteil an Fasern unter 20 Vol.% zu einer drastisch geringeren Festigkeitssteigerung führt, wobei die gleichmäßge Verteilung der Fasern in der Glas-/Glaskeramikmatrix sehr erschwert wird.The DE 199 48 739 A1 describes the use of a composite consisting of a glass or glass-ceramic matrix and reinforcing fibers on means for handling hot metal as a tool, tool part or coating material thereof for contacting metal up to 1200 ° C. It is stated that a fraction of fibers below 20 vol.% Leads to a drastically lower strength increase, whereby the uniform distribution of the fibers in the glass / glass-ceramic matrix is made very difficult.

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.Of the Invention has for its object to provide a method with which is based on cost-effective and simply a glass body makes, which has a low specific gravity and high strength, and thus also cost-effective is.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst, wonach ein Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Verbundkörpers aus Glas und Fasern, mit den folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt wird:

  • 1.1 einem Kieselglaspulver werden Fasern zugesetzt, die eine gegenüber Glas erhöhte Festigkeit aufweisen;
  • 1.2 der Anteil der Fasern beträgt zwischen 10 und 20 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern;
  • 1.3 wobei die Fasern der Aufschlämmung aus Kieselglas orientiert oder in zufälliger Ausrichtung zugesetzt werden;
  • 1.4 aus der Gesamtmenge von Kieselglas und Fasern wird ein Vorformling nach dem Schlickergussverfahren hergestellt;
  • 1.5 der Vorformling wird gesintert, so dass der Verbundkörper entsteht, wobei der Glaskörper porös ist..
This object is achieved by the features of claim 1, according to which a method is provided for producing a high-strength composite body of glass and fibers, comprising the following method steps:
  • 1.1 a silica glass powder fibers are added, which have an increased strength compared to glass;
  • 1.2 the proportion of fibers is between 10 and 20 wt.%, Based on the total amount of silica glass and fibers;
  • 1.3 wherein the fibers of the slurry of silica glass are oriented or added in random orientation;
  • 1.4 from the total amount of silica glass and fibers, a preform is prepared by the slip casting method;
  • 1.5 the preform is sintered to form the composite, the glass body being porous.

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.The essential features of the method according to the invention are the following: The inventors start from silica glass (SiO 2 ). This is initially in powder form. To the silica glass powder are added suitable fibers which have a corresponding strength.

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.Out the total amount of silica glass powder and fibers becomes a slurry educated. From this slurry becomes a preform according to the so-called slip casting method produced. The preform is sintered to form the glass body.

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.Of the vitreous is porous. The pores can be open-pored, that is are all in a leading relationship with each other. You can, too be closed-porous.

Wesentliche Parameter sind die folgenden:

  • – Der Anteil der Fasern an der Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern – beide absolut trocken – liegt zwischen 10 und 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. Vorzugsweise wird die Korngröße des Kieselglases, die Sintertemperatur sowie weitere für die Porosität des Glasmaterial maßgebliche Parameter derart gewählt, dass das Glasmaterial eine Porosität von zwischen 3 und 15% aufweist, bezogen auf das Gesamtvolumen des Glasmateriales.
Essential parameters are the following:
  • - The proportion of fibers in the total amount of silica glass and fibers - both absolutely dry - is between 10 and 20 wt.%.
  • - The parameters chosen during the manufacturing process are chosen such that the porosity of the glass material is between 5 and 15% by volume, preferably 6 to 10% by volume. This means the volume fraction of the pores, based on the glass material. Preferably, the particle size of the silica glass, the sintering temperature and other relevant parameters for the porosity of the glass material is selected such that the glass material has a porosity of between 3 and 15%, based on the total volume of the glass material.

Wichtige Parameter für die Porosität sind die Korngröße des Kieselglaspulvers, welches das Ausgangsprodukt darstellt, ferner die Sintertemperatur. Vorzugsweise liegt die Sintertemperatur über 1000°C. Diese sollte besonders bevorzugt zwischen 1100 und 1500° Celsius liegen, im allgemeinen bei 1200° Celsius ± 50° Celsius.Important Parameters for the porosity are the particle size of the silica glass powder, which represents the starting product, furthermore the sintering temperature. Preferably the sintering temperature is over 1000 ° C. This should be more preferably between 1100 and 1500 ° Celsius, in general at 1200 ° Celsius ± 50 ° 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.A body made of such a composite material has the following properties:
He has high strength values. This concerns in particular the flexural strength and the fracture toughness.

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.Of the body is inexpensive Can be produced because the proportion of expensive fibers kept low can be. A typical value is 20% by weight of fibers, based on the weight of the whole body. In the aforementioned prior art glasses are usually 40% fibers added. The slip casting process is also easy to be implemented Procedure significantly for the cheap Price of such a body at. It is thus not necessary to apply a hot pressing process.

Körper, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, können dünnwandig, filigran und leicht ausgelegt werden, verglichen mit herkömmlichem Material. Aufgrund der verringerten Masse wird die thermische Trägheit vermindert; ein Keramisierungsprozess kann schneller und wirtschaftlicher gefahren werden.Body that according to the inventive method are manufactured thin-walled, filigree and lightweight, compared to conventional ones Material. Due to the reduced mass, the thermal inertia is reduced; A ceramization process can be faster and more economical become.

Die Fasern können von kristallinem oder teilkristallinem Aufbau sein. Werden kristalline Fasern eingebaut, so wird hierdurch die Wärmeleitfähigkeit gesteigert. Es können somit die betreffenden Bauteile schneller auf eine Soll-Temperatur gebracht werden.The Fibers can of crystalline or semi-crystalline structure. Become crystalline Incorporated fibers, thus the thermal conductivity is increased. It can thus the relevant components are brought faster to a desired temperature become.

Das erfindungsgemäße Verbundmaterial ist ideal geeignet für Brennhilfsmittel, zum Beispiel Keramisierungsunterlagen. Die Temperatur des Brenngutes oder eines zu keramisierenden Grünglasteiles wird gleichmäßig.The composite material according to the invention is ideal for Kiln furniture, for example ceramization underlays. The temperature of the burning material or a green glass part to be ceramized becomes uniform.

Die Fasern bestehen aus wenigstens einem der folgenden Stoffe:
SiC
Aluminosilikat
Aluminiumborosilicat
ZrO2
Oxynitriden
Si3N4
hochschmelzenden Metallen oder deren Legierungen
Keramik.The fibers consist of at least one of the following substances:
SiC
aluminosilicate
aluminoborosilicate
ZrO 2
oxynitrides
Si 3 N 4
refractory metals or their alloys
Ceramics.

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 Bruchzähigkeit des Verbundmateriales wird dadurch erhöht.The Fibers can be conditioned with high temperature lubricants, for example with Phyllosilicates or mica. This will pull out the Fiber avoided (so-called pull-out Efekt). The fracture toughness of the composite material is thereby increased.

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.in the In general, one will optimize the composite by appropriate Tuning of the properties of the silica glass and the properties the fibers. Here are parameters such as the grain size and the Particle size distribution of the silica glass as well as the material, the thickness and the length of the Fibers.

Die Fasern können eine Länge von weniger als 100 mm haben, vorzugsweise eine Länge von weniger als 50 mm aufweisen. Die Fasern können aber auch eine Länge von über 100 mm haben.The Fibers can a length less than 100 mm, preferably less than 50 mm. The fibers can also have a length of over 100 mm.

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.At the Making the preform can the fibers and the silica glass powder either dry or wet with each other be mixed. Also, a binder may be added, the burned out during sintering.

Die Fasern können einem trockenen oder einem aufgeschlämmten Kieselglaspulver zugesetzt werden.The Fibers can a dry or a slurried silica glass powder are added.

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.composite products, the means of the method according to the invention can be produced in a variety of industries apply. As mentioned, especially the glass industry itself is considered, furthermore foundries, especially for Cast aluminum.

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.The Remarkable about the invention is that the considerable advantages especially by choosing the following two parameters: By the said relatively small proportion of expensive fibers and by Such a design of the process that results in a porosity of the glass material in the stated low range.

Claims (11)

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 20 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge aus Kieselglas und Fasern; 1.3 wobei die Fasern der Aufschlämmung aus Kieselglas orientiert oder in zufälliger Ausrichtung zugesetzt werden; 1.4 aus der Gesamtmenge von Kieselglas und Fasern wird ein Vorformling nach dem Schlickergussverfahren hergestellt; 1.5 der Vorformling wird gesintert, so dass der Verbundkörper entsteht, 1.6 wobei der Glaskörper porös ist.Method for producing a high-strength composite body of glass and fibers, comprising the following method steps: 1.1 fibers are added to a silica glass powder sets that have an increased strength compared to glass; 1.2 the proportion of fibers is between 10 and 20 wt.%, Based on the total amount of silica glass and fibers; 1.3 wherein the fibers of the slurry of silica glass are oriented or added in random orientation; 1.4 from the total amount of silica glass and fibers, a preform is prepared by the slip casting method; 1.5 the preform is sintered to form the composite, 1.6 wherein the glass body is porous. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur über 1000° Celsius beträgt.Method according to claim 1, characterized in that that the sintering temperature over 1000 ° Celsius is. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur zwischen 1100 und 1500° Celsius liegt.Method according to claim 2, characterized in that that the sintering temperature is between 1100 and 1500 ° Celsius. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur bei 1200° Celsius ± 50° Celsius liegt.Method according to claim 3, characterized that the sintering temperature is 1200 ° Celsius ± 50 ° Celsius. 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.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that the grain size of the silica glass, the sintering temperature and others for the porosity of the glass material authoritative Parameter selected be that the glass material has a porosity of between 3 and 15%, based on the total volume of the glass material. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Wahl solcher Parameter, dass das Glasmaterial eine Porosität von 5 bis 10 Vol.% aufweist.Method according to claim 5, characterized by Choice of such parameters that the glass material has a porosity of 5 to 10% by volume. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern von kristallinem oder teilkristallinem Aufbau sind.Method according to one of claims 1 to 6, characterized that the fibers are of crystalline or semi-crystalline construction. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von weniger als 100 mm haben.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the fibers have a length of less than 100 mm. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von weniger als 50 mm haben.Method according to claim 8, characterized in that that the fibers have a length of less than 50 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine Länge von über 100 mm haben.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the fibers have a length from above 100 mm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einem trockenen oder einem aufgeschlämmten Kieselglaspulver zugesetzt werden.Method according to one of claims 1 to 10, characterized that the fibers are a dry or a slurried silica glass powder be added.
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