DE19821679A1 - Verfahren zum Fügen faserverstärkter Glas-/Glaskeramikmaterialien an andere Werkstoffe und daraus gefügtes Bauteil - Google Patents

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.

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,

• - 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.

Beispiel I Vorversuch

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.

Beispiel II Herstellung von Ringen

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 P_a 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.

Beispiel III Herstellung eines pleuelähnlichen Körpers

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.