DE19821679A1 - Verfahren zum Fügen faserverstärkter Glas-/Glaskeramikmaterialien an andere Werkstoffe und daraus gefügtes Bauteil - Google Patents
Verfahren zum Fügen faserverstärkter Glas-/Glaskeramikmaterialien an andere Werkstoffe und daraus gefügtes BauteilInfo
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Abstract
Faserverstärkte Glas-/Glaskeramikmaterialien finden typischerweise Anwendung an Einrichtungen zum Handhaben von heißen Glas-, Glaskeramik- und Keramikgegenständen bei deren Herstellung. Sie müssen dabei in der konstruktiven Anwendung notwendigerweise an Bauteile aus mehreren Werkstoffen gefügt werden. DOLLAR A Dies erfolgt derzeit mechanisch durch Kleben oder Verschrauben bzw. Vernieten. Die mechanische Beständigkeit der Fügung ist dabei thermisch wie mechanisch begrenzt. DOLLAR A Gemäß der Erfindung werden die Glas-/Glaskeramikmaterialien mit den anderen Werkstoffen bei hohen Temperaturen unter Erzeugung einer Schmelzverbindung an den Grenzflächen zwischen beiden unterschiedlichen Werkstoffen verpreßt. DOLLAR A Durch diese Maßnahme entsteht eine thermisch wie mechanisch dauerhafte Verbindung zwischen den beiden Fügepartnern. DOLLAR A Durch die Herstellung von bauteilorientierten, d. h. endgeometrienahen Verbund-Prepregs läßt sich eine wirtschaftliche Fertigung erzielen.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fügen faserverstärkter
Glas-/Glaskeramikmaterialien an andere Werkstoffe.
Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, gefügt aus faserverstärkten
Glas-/Glaskeramikmaterialien an andere Werkstoffe.
Die Werkstoffe aus dem Bereich von Glas und Glaskeramik nehmen in
unserem täglichen Leben einen nicht wegzudenkenden Teil ein. Das reiche
Spektrum ausgezeichneter optischer, elektrischer und chemischer
Eigenschaften, verbunden mit einer geringen Dichte, ist dem von anderen
Werkstoffklassen in vielen Bereichen überlegen. Auch die zumindest für
silikatische Rohstoffe relativ geringen Rohstoffpreise und deren
unerschöpfliche Verfügbarkeit sind attraktive Argumente für deren Einsatz.
Allerdings begrenzen einige Nachteile die Anwendung dieser Werkstoffe,
besonders bezüglich der mechanischen Eigenschaften. Dazu gehören die
geringe Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit sowie das spröde Bruchverhalten.
Vor allem jedoch die große Diskrepanz zwischen theoretischer und praktischer
Festigkeit begrenzen den konstruktiven Einsatz dieser Werkstoffe.
Ein bei Gläsern und Glaskeramiken erfolgreich durchgeführter Ansatz zur
Steigerung der Festigkeit bei gleichzeitiger Beseitigung des spröden
Bruchverhaltens liegt in der gezielten Einbringung hochfester und
hochmoduliger, meist keramischer Zweitphasen, d. h. in der Herstellung von
typischerweise mit Endlosfasern aus SiC oder C faserverstärkten Glas- bzw.
Glaskeramikmaterialien. Die Herstellung von faserverstärktem Glas bzw.
faserverstärkter Glaskeramik ist dem Fachmann wohlbekannt und in
zahlreichen Veröffentlichungen beschrieben, von denen exemplarisch die
US-Patentschriften Nr. 4,610,917, 4,626,515, und 5,079,196 aufgeführt werden.
Typischerweise erfolgt die Herstellung über einen Wickelprozeß und eine
anschließende uniaxiale Heißpressung der mit dem Glaspulver infiltrierten
Fasern.
Generell können durch eine gezielte Wahl von Glas- bzw. Glaskeramikmatrix
und Fasern Komposite daraus auf den vorgesehenen Einsatzzweck
maßgeschneidert werden. Durch die richtige Wahl der Faserarchitektur können
dabei Bauteile entwickelt werden, die an die zu erwartende Belastung angepaßt
sind.
Die aus faserverstärkten Glas- bzw. Glaskeramikmaterialien hergestellten
Komposite finden in bekannter Weise (DE 43 38 270 C2) vorwiegend
Verwendung an Einrichtungen zum Handhaben von heißen Glas-,
Glaskeramik- und Keramikgegenständen bei deren Fertigung.
Faserverstärkte Glas- bzw. Glaskeramikmaterialien stehen typischerweise als
plattenförmige Halbzeuge bereit, aus denen das jeweilige Bauteil bzw. die
Bauteilkomponente herausgeschnitten wird, das dann an Bauteile aus anderen
Werkstoffen gefügt werden muß.
Der bisherige Stand der Technik beim Fügen von faserverstärkten Gläsern
bzw. Glaskeramiken besteht in einem mechanischen Verfügen mit dem Bauteil
aus dem anderen Werkstoff, typischerweise durch Schrauben oder Nieten oder
durch Verkleben (vorg. DE-Schrift, Spalte 6, Zeilen 26 bis 38). Beide
Techniken sind in der Anwendung begrenzt durch geringe mechanische bzw.
thermische Beständigkeit. So darf laut der Definition in
"Schneider S.J. (technical chairman): Engineered Materials Handbook, Vol. 4 - Ceramics and Glasses ASM International (1991)"
die Fügestelle nicht gleichzeitig Schwachstelle einer Konstruktion sein. Dies gilt nicht nur in mechanischer, sondern auch in thermischer Hinsicht, wodurch das Kleben als mögliche Technik für viele Anwendungen ausscheidet. Die Möglichkeit des Fügens über Schraub- oder gar Nietverbindungen stellt zwar einen Vorteil gegenüber den bekannten monolithischen Gläsern und Keramiken dar; allerdings bringt man mit dieser Methode Schwachstellen in das Gefüge ein, an denen die Fasern unterbrochen werden.
"Schneider S.J. (technical chairman): Engineered Materials Handbook, Vol. 4 - Ceramics and Glasses ASM International (1991)"
die Fügestelle nicht gleichzeitig Schwachstelle einer Konstruktion sein. Dies gilt nicht nur in mechanischer, sondern auch in thermischer Hinsicht, wodurch das Kleben als mögliche Technik für viele Anwendungen ausscheidet. Die Möglichkeit des Fügens über Schraub- oder gar Nietverbindungen stellt zwar einen Vorteil gegenüber den bekannten monolithischen Gläsern und Keramiken dar; allerdings bringt man mit dieser Methode Schwachstellen in das Gefüge ein, an denen die Fasern unterbrochen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren
so zu führen bzw. das zugehörige Bauteil so aufzubauen, daß eine sowohl in
mechanischer als auch in thermischer Hinsicht stabile Fügung entsteht, ohne
daß dabei Schwachstellen im Gefüge auftreten.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt für das Verfahren zum Fügen
faserverstärkter Glas-/Glaskeramikmaterialien an andere Werkstoffe gemäß der
Erfindung dadurch, daß die Glas-/Glaskeramikmaterialien mit den anderen
Werkstoffen bei hohen Temperaturen unter Erzeugung einer
Schmelzverbindung an den Grenzflächen zwischen beiden unterschiedlichen
Werkstoffen verpreßt werden.
Hinsichtlich des Bauteiles, gefügt aus faserverstärkten
Glas-/Glaskeramikmaterialien mit anderen Werkstoffen gelingt die Lösung der
Aufgabe dadurch, daß an den Grenzflächen zwischen den faserverstärkten
Glas-/Glaskeramikmaterialien und den anderen Werkstoffen eine
Schmelzverbindung ausgebildet ist.
Die Heißpressung bewirkt eine kontrollierte thermochemische Reaktion
(Verschmelzen, bzw. Bildung von Grenzflächenphasen) der beiden
Fügepartner. Dadurch kommt es zu einer Verbindung, die sowohl mechanisch
als auch thermisch fest und beständig ist. Das Bruchverhalten bei mechanischer
Überlastung ist dabei nicht spröde, d. h. die beiden Fügepartner brechen durch
die Anwesenheit der keramischen Fasern im Verbundwerkstoff nicht
unmittelbar in zwei Teile. Die ermittelte Grenzflächenfestigkeit liegt dabei über
der interlaminaren Scherfestigkeit der beteiligten faserverstärkten Gläser. Der
erfindungsgemäße Fügeverbund ist daher nicht der limitierende Faktor in einer
Konstruktion. Die Erfindung ermöglicht daher eine signifikante Erweiterung
des Anwendungsbereiches von Verbundwerkstoffen aus faserverstärkten
Glas-/ bzw. Glaskeramikmaterialien mit anderen Werkstoffen.
Dabei geht die Erfindung von folgenden Überlegungen aus:
Gläser und Glaskeramiken als solche können grundsätzlich eine Schmelzverbindung mit anderen Materialien eingehen. Das schmelzende Fügen zweier verschiedener Materialien ist gekoppelt an zwei Mechanismen,
Gläser und Glaskeramiken als solche können grundsätzlich eine Schmelzverbindung mit anderen Materialien eingehen. Das schmelzende Fügen zweier verschiedener Materialien ist gekoppelt an zwei Mechanismen,
- - den physikalischen und
- - den chemischen Wechselwirkungen.
Der zentrale physikalische Mechanismus, der beim Fügen berücksichtigt
werden muß, ist die Differenz der thermischen Ausdehnung, die zu
mechanischen Spannungen führen kann. Wichtig ist auch die Benetzung des
niedrigschmelzenden Partners auf den höherverschmelzenden.
Die Benetzung ist zudem wichtig bei möglicherweise stattfindenden chemischen
Reaktionen, die zur Ausbildung von Zwischenschichten zwischen den beiden
Partnern führen können. Eine gute Haftung bedingt neben der chemischen
Reaktivität auch eine gute Benetzung auf das höherschmelzende Material.
Beide Bedingungen treffen im allgemeinen für Gläser und Glaskeramiken im
Verbund mit Keramiken und Metallen zu. Allerdings begrenzt die Differenz
der thermischen Ausdehnung beider Materialien die Anwendung dieser Technik
auf wenige Glaszusammensetzungen, die sehr genau an das
Ausdehnungsverhalten des Partners angepasst sein müssen.
Der Einsatz von faserverstärkten Gläsern bzw. Glaskeramiken im Fügeverbund
mit anderen Materialien ist grundsätzlich auch dieser Problematik unterworfen.
Durch die Anwesenheit der Fasern können jedoch Risse, die auf die
thermischen Spannungen zurückzuführen sind, aufgrund bekannter innerer
Verstärkungsmechanismen abgeschirmt werden. Auf diese Weise wird das
Gefüge nicht prohibitiv geschädigt.
Durch die Heißpressung wird dabei eine vollständige Verdichtung der
faserverstärkten Gläser und Glaskeramiken erreicht.
Als Fügepartner für die Glas-/Glaskeramikmaterialien werden gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung vorzugsweise Keramiken gewählt. Diese werden
im allgemeinen von Glasschmelzen gut benetzt. Allerdings haben die meisten
Keramiken recht hohe thermische Ausdehnungskoeffizienten, die möglichst
dem der faserverstärkten Gläser angepasst sein müssen. Wichtig ist aufgrund
der beim Heißpressen wirkenden Kräfte eine ausreichende mechanische
Festigkeit der keramischen Fügepartner.
Alternativ können auch als Fügepartner ein refraktäres Metall oder
hochtemperaturbeständige Legierungen Verwendung finden.
Vorzugsweise werden, im Fall der ersten, bevorzugten Alternative folgende
Keramiken verwendet:
Die mechanischen und thermischen Eigenschaften dieser Keramiken sind in
vorgenannter Tabelle 1 zusammengefasst. Wie man aus diesen Werten sehen
kann, sind alle vier Keramiken über den Temperaturbereich hinaus beständig,
bei dem die Kraftaufnahme zur Verdichtung der faserverstärkten Gläser und
Glaskeramiken vorgenommen wird. Dagegen ergeben sich deutliche
Unterschiede in der thermischen Ausdehnung, die etwa um den Faktur 2
variieren. Auch die elastischen Eigenschaften und vor allem die
Festigkeitswerte variieren sehr stark. Bis auf das tongebundene SiC sind alle
Keramiken dichtgebrannt.
Neben diesen Keramik-Materialien nach Tabelle können auch, wegen des
hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hochtemperaturfeste Metalle
verwendet werden. Denkbar wären Mo, Nickelbasislegierungen (z. B.
INCONEL) oder Sinterlegierungen (z. B. PM 2000).
Faserverstärkte Glas-/Glaskeramikmaterialien stehen typischerweise, wie
bereits erwähnt, als Halbzeuge, als sogenannte Prepregs, zur Verfügung, aus
denen das jeweilige Bauteil mit einem bauteilspezifischen Schnitt
herausgeschnitten und dann durch Heißpressen dicht verpreßt, in seine
endgültige Form gebracht wird.
Diese Prepregs werden typischerweise in der Weise hergestellt, daß ein
Faserbündel zunächst bei ca. 700°C entschlichtet und dann in einem
Wirbelbad, in dem feinkörniges Glaspulver mit einem Sol-Gel-Binder (siehe
die eingangs zitierte DE 43 38 270 C2) angesetzt ist, mit dem Glas getränkt,
d. h. imprägniert wird. Die Fasern werden daher sozusagen mit dem
Glasmaterial infiltriert. Das Glasmaterial wird dabei durch den Binder in
Suspension gehalten. Mit Festwerden des Binders wird das mit dem Glas
infiltrierte Faserbündel dann quasi als Band auf eine Rolle aufgewickelt und
steht als Prepreg für die weitere Bearbeitung zur Verfügung.
Prinzipiell können aus diesem Band bauteilgerecht herausgeschnittene
Prepregs, zusammen mit dem Fügepartner aus dem anderen Werkstoff als
Einlegeteil, zu dem erfindungsgemäßen Verbundeteil heißverpresst werden.
In mechanischer Hinsicht vorteilhafter ist es jedoch gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung, zunächst ein Prepreg des Verbundteiles selbst herzustellen,
indem die zu fügende Komponente aus dem anderen Werkstoff direkt mit
einem mit Glas und Binder infiltrierten Faserbündel umhüllt wird, und dieses,
auch Grünkörper genannte Prepreg anschließend zu dem endgültigen Bauteil
heißverpresst wird, unter Verdichten des faserverstärkten Glasmaterials und
eines innigen Fügens an die Komponente aus dem anderen Werkstoff.
Es ist auch gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung denkbar, ein
solches Prepreg mit bereits verdichteten faserverstärkten Gläsern bzw.
Glaskeramiken als (weiteren) Fügepartner zu verpressen.
Anhand von Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäß hergestellten
Verbundkörpern, deren Aufbau in den Zeichnungen dargestellt ist, soll die
Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einbettung keramischer
Stäbchen in einem Verbundkörper,
Fig. 2 eine schematische Darstellung durch eine Heißpressform zur
Pressung eines ringförmigen Verbundkörpers nach der
Erfindung,
Fig. 3 die Darstellung eines erfindungsgemäß hergestellten
Pleuelkörpers.
Fig. 4 ein Gefügebild der Fügegrenzfläche SiC/Duran mit SiC
(tongebunden),
Fig. 5 ein Gefügebild der Fügegrenzfläche SiC/Duran mit Pythagoras,
und
Fig. 6 ein Gefügebild der Fügegrenzfläche SiC/Duran mit Al2O3.
Es wurden 100 × 100 mm - Prepregs aus SiC-Fasern und Glas 8330 (bekannt
unter der Marke DURAN®), ausgeschnitten aus dem erwähnten Bandmaterial,
in unidirektionaler Faserarchitektur in mittlerer Lagenhöhe gespalten.
Zwischen die halbierten Lagen wurden drei Stäbe 1 aus Keramikmaterial in
Faserlängsrichtung eingelegt. Die Stäbe hatten die Größe 3 × 5 × 98 mm und
bestanden bei einem ersten Prepreg aus Al2O3 und bei einem anderen Prepreg
aus SiC (tongebunden). Die so präparierten Prepregs wurden anschließend zur
Heißpressung vorbereitet und verdichtet.
Der schematische Aufbau der Probengeometrie mit den Stäben 1 aus
Keramikmaterial, dem faserverstärkten Glasmaterial 2 und dem Verbundkörper
3, wobei der Phil die Faserrichtung zeigt, ist in Fig. 1 zu sehen.
Die Pressung der Prepregs zu dichten Verbundkörpern (Kompositen) erwies
sich als problemlos. Die Kompositplatten wiesen nach der Pressung eine
normal plattenförmige Gestalt auf. Die Oberfläche der mit einem Topfschleifer
plangeschliffenen Platten wiesen an den Stellen der Einbettung eine
unterschiedliche Reflektivität auf, was auf eine lokale Änderung des Gefüges
hinweist. Die Stäbe blieben unbeschädigt; aus Gefügeschliffen ergaben sich
u. a. nachstehende Aussagen:
- - Die Proben der Komposite zeigten keine Anzeichen von Verformung oder Rissen. Das Gefüge des umgebenden SiC-Faser/Duran®-Verbundes ist bei allen Proben ähnlich strukturiert. Sowohl beim SiC- als auch beim Al2O3-Fügepartner ist eine Zwischenschichtausbildung zu erkennen.
- - Da der Fügepartner Keramik noch bei höheren Temperaturen (verglichen mit dem faserverstärkten Glasmaterial) beständig ist, fließt das erweichende Glas bereitwillig in Hohlräume des Formkörpers, um diese unter der angelegten Kraft auszufüllen. Durch das Einbringen zusätzlicher Prepreglagen ergab sich kein Unterschied im ausgebildeten Gefüge. Obwohl das Gefüge um die eingebetteten Stäbchen herum deutlich strukturiert ist, konnte im Fasergehalt und in der Faserverteilung kein wesentlicher Unterschied ober- bzw. unterhalb, oder neben den Stäbchen ausgemacht werden.
In diesem Beispiel wurde als Probenkörper ein Verbund aus zwei Keramik-
Ringen gewählt, deren Gestalt und Herstellung in Fig. 2 dargestellt ist. Ein
äußerer Ring 4a wird von einem inneren Ring 4b mit etwas größerer axialer
Abmessung konzentrisch durchdrungen.
Um eine Aussage hinsichtlich des Einflusses des Keramikmaterials zu haben,
wurden Verbundringe 4a und 4b aus Al2O3, Pythagoras und tongebundenem
SiC gewählt.
Um diese Verbundringe 4 wurden jeweils entsprechend dem Beispiel I in der
Prepregherstellung die mit Duranglaspulver infiltrierten Fasern zirkulär um
Keramikringe aus Al2O3, Pythagoras und tongebundenem SiC gewickelt. Der
Durchmesser der Keramikringe betrug 35 mm, der Außendurchmesser des
resultierenden Prepregs 4 70 mm. Letzterer wurde nach dem Festwerden des
Binders im Prepregs zugeschnitten.
Die Heißpreßwerkzeuge für den so gewählten Verbund bestehen aus einem
Oberstempel 5a und einem Unterstempel 5b, die in Ringsegmenten 6 geführt
sind, und deren Preßflächen an den Ringverbund 4 angepaßt sind.
Die aufgebrachte Kraft F verdichtet direkt nur den Faser/Glasmatrix-Verbund.
Der Keramikringverbund erfährt in der Aussparung der Heißpreßform nur
indirekt eine Kraftwirkung durch das erweichende Glas, das entlang der
Kontaktfläche auf den Ring gedrückt wird. Durch diese Anordnung wird die
Verdichtung der Fasern mit dem Glas nach innen durch die Keramikringe
begrenzt. Letztere ragen deshalb etwa 5 mm beidseitig aus dem Prepreg
heraus. Die Außenfläche des Ringes steht in direktem Kontakt mit der
Heißpreßform. Um eine problematische Verbindung des austretenden Glases
mit dem Kohlenstoff der Form zu vermeiden, wurde das Formenmaterial vor
dem Einbau des Prepregs ausgiebig mit einem Graphitspray unter Bildung
einer Graphitschicht 7 ausgesprüht. Ein weiteres Problem bezüglich der
möglichen Glasaustritte stellt die Aussparung für den Keramikring dar. Deren
Durchmesser wurde aufgrund der hohen Toleranzen der Keramikringe im
Außendurchmesser auf 35,4 mm vergrößert, so daß der gebildete Freiraum mit
einer Lage Graphitfolie 8 ausgefüllt wurde, die sich an den jeweiligen
Keramikring anpassen sollte.
Durch die in Fig. 2 dargestellte Kraftführung konnten die Prepregs innig mit
den Keramikringen verpreßt werden. Diese wurden beidseitig von der
überstehenden Keramik getrennt und plangeschliffen.
Das erzielte Ergebnis erwies sich auch unabhängig von der Probendicke. Die
Höhe des zirkulär gewickelten Prepregs 4 wurde dazu schrittweise von 30 mm
auf 50 mm erhöht, ohne daß es zu zusätzlichen Problemen bei der
Heißpressung kam.
Die gefertigten Verbundringe wirkten nach der Heißpressung homogen
verdichtet, waren jedoch teilweise in der zirkulären Faserarchitektur gestört.
Diese Störungen im Gefüge waren besonders an den Kontaktstellen der
Ringsegmente auszumachen, die zumeist eine kleine Vertiefung bilden.
Zusätzlich konnten einige feine, der zirkulären Faserrichtung folgende Risse
erkannt werden, die besonders ausgeprägt bei der Verwendung von Al2O3 als
Fügepartner waren.
Bei Versuchen zur Charakterisierung der mechanischen Festigkeit des
Fügeverbundes erwies sich der Keramik-Verbundpartner SiC als der zu den
höchsten mechanischen Werten führende Fügepartner, gefolgt vom Verbund
mit der Pythagoraskeramik. Der Verbund mit der Al2O3-Keramik zeigte die
geringsten Werte. Der Unterschied in der mechanischen Festigkeit weist auf
ein durch den Fügeverbund beeinflusstes, unterschiedlich ausgebildetes Gefüge
im SiC-Faser/Duran-Verbund hin.
Auch zeigten angefertigte, in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellte Gefügeschliff-
Bilder unterschiedliche Fügegrenzflächen zwischen dem faserverstärkten
SiC/Duran-Glasmaterial und dem jeweiligen Keramikring.
Der Fügeverbund mit Al2O3 (Fig. 6) hat lediglich einen ganz ausgeprägten Riß
zwischen den beiden Partnern ausgebildet und scheint nur an einigen Stellen
lokal mit der Glasmatrix verbunden zu sein. In der Nähe der Grenzfläche ist
die Glasmatrix sehr porös und rissig. Bei den beiden anderen Keramikringen
gibt es kaum Risse direkt an der Grenzfläche, sondern etwa 1 mm weiter in
der Glasmatrix.
Bemerkenswert ist, daß es bei den Fügeverbunden mit SiC und Pythagoras
(Fig. 4 und 5) als Keramik-Material zu einer Ausbildung einer
Zwischenschicht gekommen ist, die jeweils in die Keramik hineingewachsen zu
sein scheint. Diese Zwischenschicht ist im Original erkennbar an einer
veränderten Färbung und in Fig. 4/5 an einer reduzierten Porosität, die von
beiden Keramiken in weiterem Abstand von der Grenzfläche gezeigt wird. Die
Grenzfläche ist beim Verbund mit dem tongebundenen SiC im Original schon
mit bloßem Auge erkennbar und etwa 150 µm dick, während die
Reaktionszone mit der Pythagoras-Keramik nur etwa 75 µm dick ist. Die
Fasern schmiegen sich an die Oberfläche der letzteren Keramik deutlich dichter
an, was auf die geringere Porosität, die feinere Korngröße und damit die
bessere Oberflächenbeschaffenheit zurückzuführen ist.
Die sehr guten mechanischen Werte, besonders des Fügeverbundes mit dem
tongebundenen SiC (Fig. 4) von bis zu 45 M Pa zeigen, daß sich der
SiC-Faser/Duran-Verbund grundsätzlich mit Keramiken während der Heißpressung
verbinden läßt. Dabei ist die resultierende Festigkeit des Fügeverbundes
abhängig von der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Diese
verunmöglicht oft das Fügen anderer keramischer Partner, besonders wenn,
wie im vorliegenden Fall, eine zusätzliche chemische Wechselwirkung ins
Spiel kommt. Hier führt die Anwesenheit der Fasern in der Glasmatrix zu
Mechanismen, die einen Verbund mit Keramiken trotzdem ermöglichen.
Die keramischen Fasern passen zum einen den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Matrix an den von Keramiken an. Zum anderen
jedoch sind sie in der Lage, mit in der Literatur beschriebenen Mechanismen
die thermischen Spannungen aufzunehmen oder, wenn diese zu hoch sind, in
vielen kleinen Rissen zu relaxieren. Diese Risse zerstören jedoch nicht den
Verbund, so daß das Bauteil mit einer kontrolliert erfolgten Vorschädigung
noch verwendbar bleibt. Die Festigkeit des Fügeverbundes ist abhängig vom
Grad der Vorschädigung im Faserverbund und damit direkt eine Funktion der
Differenz der Ausdehnungskoeffizienten.
Ein weiterer Vorteil des Fügeverbundes liegt im Versagensmechanismus, der
auch bei dem Test mit einer scherenden Beanspruchung direkt an der
Grenzfläche kontrolliert und schadenstolerant erfolgte. Auch diese Tatsache
stellt einen großen Vorteil dieses Ansatzes zum Fügen keramischer Materialien
gegenüber anderen dar.
In Fig. 3 ist ein pleuelähnlicher Verbundkörper 9 dargestellt, dessen Augen
durch zwei Keramikringe 10, 11 aus Al2O3 bzw. SiC gebildet werden. Zur
Fertigung eines bauteilangepaßten Prepregs werden diese Ringe zunächst mit
den im Beispiel II beschriebenen Methoden mit einer zirkularen Wicklung
versehen. Die Ringe sind miteinander über eine unidirektional um sie
gewickelte Lage 12 infiltrierter Fasern verbunden. Der von den Ringen 10, 11
gebildete Zwischenraum 13 wird gefüllt durch ein vorher entsprechend
zugeschnittenes Prepreg mit 48 Lagen und 0°/90°-Architektur, das bei der
Herstellung vor der gemeinsamen Umwicklung eingelegt wurde. Da die
Verdichtung unidirektionaler Faserverbunde höher ist als mit 0°/90°-Ar
chitektur, wurde die äußere Faserumwicklung 12 breiter ausgelegt (30 mm).
Die Höhe der keramischen Ringe betrug 40 mm.
Auf diese Weise wurde ein endgeometrienahes Prepreg erstellt.
Das Preßwerkzeug wurde anhand der bei der Herstellung der Ringe
gewonnenen Erfahrungen konstruiert. Es besteht aus einer massiven Matrize,
um Störungen der Faserausrichtung an Spalten zu vermeiden, wie sie bei den
Ringen beobachtet wurden. Die Pressung erfolgte mit zwei Preßstempeln. Die
Kraftführung wurde, um das Preßwerkzeug möglichst stabil zu halten, ohne
Innentemperaturmessung nur über die Außentemperatur geregelt. Ansonsten
wurde analog zur Ringherstellung verfahren.
Die Pressungen von drei Pleuelkörpern verliefen erfolgreich und
unproblematisch. Die Pleuel waren gut verdichtet und der Verbund der beiden
keramischen Augen war innig mit dem umgebenden faserverstärkten Glas. Am
plangeschliffenen Bauteil kann man sehr gut die zirkuläre Faserarchitektur um
die keramischen Augen und die umgebende Wicklung erkennen. Die 0°/90°-La
gen im Inneren des Pleuels sind leicht wellig, was man deutlich an der
unregelmäßigen Reflexion auf der Oberfläche erkennen konnte.
Die Herstellung eines pleuelähnlichen Körpers kann als Zusammenfassung der
Ergebnisse der Beispiele I und II verstanden werden. Als mechanisch
hochbelastetes Bauteil ist hier die Verwendung der hochfesten faserverstärkten
Gläser und Glaskeramiken durchaus interessant. So können die Fasern im
Bauteil an die Spannungsrichtungen in einer Weise ausgerichtet werden, daß
sie die Spannungen optimal aufnehmen können.
Die Augen im Pleuel machen die Bedeutung eines keramischen
Verbundpartners deutlich. Da die faserverstärkten Gläser und Glaskeramiken
scherenden Beanspruchungen in Faserlängsrichtung nur schlecht standhalten,
ist die Einführung einer zweiten Komponente nötig, die eine entsprechende
Härte und Verschleißfestigkeit aufweist.
Die beschriebenen Ergebnisse der Beispiele I bis III verdeutlichen das Potential
zur Realisierung komplexer Bauteile, die auch im vorhandenen Prozeß möglich
sind. Dabei bietet die endgeometrienahe Fertigung Möglichkeiten zu einer
wirtschaftlichen Bauteilfertigung, da der Verschnitt beim Nachbearbeiten
reduziert werden kann. Gleichzeitig können aber auch Faserarchitekturen
realisiert werden, die der späteren Beanspruchung des Bauteils optimal
angepasst sind.
Wie aus den Fügeversuchen hervorgeht, ist vor allem die Differenz der
thermischen Ausdehnung entscheidend für die Festigkeit des
erfindungsgemäßen Verbundes. Glimmerglaskeramiken sind daher in der
Eigenschaft interessant, einen relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten
aufzuweisen. Deren thermische Ausdehnung von etwa 4,5.106 K-1 liegt schon
sehr nahe bei der von SiC, was auf einen sehr guten möglichen Fügeverbund
schließen läßt.
Claims (10)
1. Verfahren zum Fügen faserverstärkter Glas-/Glaskeramikmaterialien an
andere Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die
Glas-/Glaskeramikmaterialien mit den anderen Werkstoffen bei hohen
Temperaturen unter Erzeugung einer Schmelzverbindung an den
Grenzflächen zwischen beiden unterschiedlichen Werkstoffen verpreßt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere
Werkstoff ein Keramikmaterial ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der andere
Werkstoff ein refraktäres Metall oder eine hochtemperaturbeständige
Legierung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß an der Grenzfläche zwischen den beiden unterschiedlichen
Werkstoffen vor dem Verpressen die Schmelzverbindung verstärkenden
Zusätze eingebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusätze
aus niedrigschmelzenden Lotgläsern bzw. Lotglas, oder
metallorganischen Gel/Gelkomponenten bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verpressen mit einer Temperatur im Bereich
von 900°C bis 1500°C und bei einem Druck im Bereich von 5 bar
bis 20 bar erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Prepreg des faserverstärkten
Glas-/Glaskeramikmaterials mit einem Einlegeteil aus dem anderen
Werkstoff als Fügepartner zu einem Verbundkörper verpreßt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fügepartner aus dem anderen Werkstoff mit
einem Faserbündel, das mit Glasmaterial und Binder getränkt ist, unter
Ausbildung eines Prepregs umhüllt wird, und danach beide Fügepartner
zusammen zu einem Verbundkörper verpreßt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prepreg
mit einem bereits verdichteten faserverstärkten Glas- bzw.
Glaskeramikmaterial als weiteren Fügepartner verpreßt wird.
10. Bauteil, gefügt aus faserverstärkten Glas-/Glaskeramikmaterialien mit
anderen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß an den
Grenzflächen zwischen den faserverstärkten Glas-/Glaskeramik
materialien und den anderen Werkstoffen eine Schmelzverbindung
ausgebildet ist.
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DE3318831A1 (de) * | 1982-05-25 | 1983-12-01 | United Technologies Corp., 06101 Hartford, Conn. | Verfahren zur herstellung von komplex geformten verbundgegenstaenden aus einer faserverstaerkten glasmatrix |
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- 1998-05-14 DE DE19821679A patent/DE19821679B4/de not_active Expired - Fee Related
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US8293059B2 (en) | 2008-05-08 | 2012-10-23 | Schott Ag | Method for generating a glass ceramic composite structure |
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