DE2637634A1 - Waermeabsorbierendes material - Google Patents
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Description
- WÄRMEABSORBIERENDES MATERIAL
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf wärmeabsorbierende materialien.
- Wärmeabsorbierende Materialien werden bei Bremsvorrichtungen von Transportmitteln, beispielsweise für Landeeinrichtungen von Flugzeugen häufig eingesetzt.
- Die in den letzten Jahren stark zunahmenden Start- und Landegeschwindigkeiten sowie Flugmaße des Flugzeuges machten es erforderlich, wärmeabsorbierende materialien für Landeeinrichtungen, insbesondere für Flugzeugbremsscheiben, zu schafren, die große Wärmeenergiemengen während des Auslaufes nach dem Landen des Flugzeugs aufnahmen können. Es ist dabei erwünscht, daß diese Materialien eine mindestzulässige Dichte besitzen. In der Praxis des Flugzeugbaus zeigt es sich, daß die verwendeten wärmeabsorbierenden Materialien den an sie gestellten Forderungen hinsichtlich wärmephysikalischer Eigenschaften und Gewichts nicht entsprechen. So werden, zum Beispiel, die technischen Kennwerte einer Bremse vermindert, wenn ihre Betriebstemperatur steigt.
- Das Sichern der Arbeitsfähigkeit solcher Materialien macht eine Volumenzunahme der verwendeten Wärmeabsorptionsmittel notwendig, was eine Erhöhung des Gewichtes und der Abmessungen der Erzeugnisse im ganzen zur Folge hat. Daraus resultiert die Notwendigkeit, wärmeabsorbierende Materialien zu schaffen, die den an sie gestellten Anforderungen hinscichtlich der wäremephysikalisohen Eingenschaften gerecht werden und aas Gewicht aes aus diesen Materialien herzustellenden Erzeugnisse herabzusetzen ermöglichen. Während der kurzen Bremszeit muß das wärmeabsorbierende Material eine große Wärmeenergiemenge unter Betriebsbedigungen auf nahmen. So nehmen, zum Beispiel, die Flugzeugbremsscheiben 70 bis 98% Bremsenergie im Laufe der Bremsung auf, deshalb werden an wärmeabsorbierende Materialien folgende Forderungen gestellt: 1. hohe spezifische Wärmekapazität; 2. hohe zulässige Betriebstemperatur, 3. hohe Mitzebeständigkeit, 4. hohe wärmeleitfähigkeit, 5. geringe Dichte.
- Es sind wärmeabsorbierende Materialien auf Graphitbasis bekannt, die für Flugzeugradbremsen verwendet werden. So ist z.B.
- ein Wärmeabsorbierendes Material auf der Basis von kohlenstofffaserverstärkertem Graphit für Bremsscheiben bekannt (s. Aviation Week and Space Technology, 1970, v. 93, Nr. 29, p. 17).
- Der Nachteil dieser Materialen besteht in folgendem: 1. geringe spezifische Wärmekapazität, die die erforderliche Wärmeaufnahme nicht sichert und zur Notwendigkeit, das volumen des Erzeugnisse bedeutend zu vergrößern, führt.
- 2. hohe Porosität des Materials, die seine Wärmeleitfähigkeit wesentlich vermindert und die erhöhte Wasserempfindlichkeit hervorrurt, 3. geringe Mitzebeständigkeit des Materials, die zur Verminderung der zulässigen Betriebstemperatur führt.
- Die Kosten für Materialien mit Kohlenstoffasern sind außerdem um das 9,8 fache und um das 17,1 fache größer als die für die gesamte Bremsvorrichtung beziehungsweise für eine einzelne Bremsscheibe.
- Es ist auch ein wärmeabsorbierendes Material für Bremsvorrichtung bekannt, das aus 10 bis 59 Gew% Borkarbid, 3 bis 3,5 Gew% Einsenmetall, 1 bis 5 Gew% Bornitrid und 10 bis 66 Gew% Zirkoniumkarbid besteht (s. UdSSR-Urheberschein Nr. 346373).
- Dieses Material ist dem Wärmeabsorbierenden Material auf der Basis von graphitfaserverstärkertem Graphit an Wärmeleitzahl (48,1 bis 27,3 W/m.grd bei einer Temperatur von 20 bis 800°C) und an spezifischer Wärmekapazität (0,561 bis 0,708 hJ/kg.grd bei einer temperatur von 20 bis 800°C) überlegen, abe auch es weist Nachteile auf. Wegen hoher Dichte und relativ geringer Wärmeleitfähigkeit läßt sich das Material bei Erzeugnissen nicht anwenden, die große Wärmeenergiemengen aufnahmen und ein kleines Gewicht im Verein mit einem geringen Volumen besitzen müssen.
- Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wärmeabsorbierendes Material zu schaffen, das die erforderlichen wärmephysikalischen Eigenschaften (hohe wärmeleitfähigkeit und wärmekapazität), eine hohe Hitzebeständigkeit (d.h. eine hohe zulässige Betriebstemperatur) und eine mindestzulässige Dichte aufweist.
- Diese Aufgabe wird bei einem wärmeabsorbierenden Material, das Borkarbid enthält, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material weiter Siliziumkarbid, Kupfer Titandiborid und Kohlenstoff enthält, wobei diese Komponenten, In folgenden Mengen (in Gewichtsprozent) verhanden sind: Borkarbid 12 bis 51 Siliziumkarbid 7 bis 22 Kupfer 1 bis 10 Titandiborid 1 bis 12 Kohlenstoff 79 bis 5 Diese Bestandteile in den genannten Mengen sichern einen Komplex von Eigenscharten, die für wärmeabsorbierende Materialien notwendig sind. Durch die Borkarbidzugabe wird die erforderliche Wärmekapazität des Materials gewährleistet. Bei einem unter 12 Gew% liegenden Borkarbidgehalt des Materials wird die erforderlihce Wärmekapazität nicht erreicht. Ein Borkarbidgehalt von mehr als 51 Gew% ist unzweckmäßig, da die Wärmeleitfähigkeit vermindert und die Bearbeitbarkeit verschlechtert wird.
- Das Siliziumkarbid verleiht dem Material die gewünschte Hitzebeständigkeit und wärmeleitränigkeit. Ein unter 7 Gew.% liegender Siliziumkarbidgehalt fünrt nicht zur Steigerung der Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, und ein über 22 Gew% liegender Siliziumkarbidgehalt ist unzweckmäßig, da die Hitzbeständigkeit nicht mehr steigt. Kupfer in einer menge von 1 bis 10 Gew% begünstigt ebenfalls die Wärmeleitröhigkeitserhöhung und verbessert die Bearbeitbarkeit, wobei eine Eugabe von mehr als 10 Gew% Kupfer unzweckmäßig ist, weil es im Verlaufe der Herstellung des Materials verdampf. Titandiborid setzt die Porosität des Materials herab und verbessert selne Bearbeitbarkeit . Der günstigste Titandiboridgehalt des Materials liegt zwischen 1 und 12 Gew%. Der Kohlenstoff in Form von Graphit sichert eine geringe Dichte und hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials. Der Kohlenstoffgehalt das Materials hängt von dem Gehalt an den anderen Bestandteilen im Material ab.
- Es sind vorzugsweise wärmeabsorbierende Materialien folgender zusammensetzungen zu benutzen: 79 Gew.% Kohlenstoff, 12 Gew.% Borkarbid, 7 Gew.% Siliziumkarbid, 1 Gew.% Kupfer, 1 Gew.% Titandiborid; 5. Gew.% Kohlenstoff, 51 Gew.% Borkarbid, 22 Gew.% Siliziumkarbid, 10 Gew.% Kupfer, 12 Gew.% Titandiborid; 31 Gew.% Kohlenstoff, 48 Gew.% Borkarbid, 14 Gew.% Siliziumkarbid, 5 Gew.% Kupfer, 2 Gew.% Titandiborid; 24 Gew.% Kohlenstoff, 51 Gew.% Borkarbid, 14 Gew.% Siliziumkarbid, 5 Gew.% Kupfer, 6 Gew.% Titandiborid; 51 Gew.% Kohlenstoff, 20 Gew.% Borkarbid, 18 Gew.% Siliziumkarbid, 1 Gew.% Kupfer, 10 Gew.% Titandiborid.
- Das Ävjaterial zeichnet sich durch verbesserte wärmephysikalische Eigenschaften und mechanische Festigkeit, erhöhte Hitzebeständigkeit und geringe Porosität bei kleiner Dichte aus.
- Das erfindungsgemäße wärmeabsorbierende Material besitzt die erforderlichen wärmephysikalische Eigenschaften. So beträgt die Wärmeleitfähigkeit $kJ/kg#grad.
- turen von 20 bis 100000; die spezifische Wärmekapazität liegt zwischen 0,94 und 1,74 kj/kg.grd. bei einer zwischen 20 und 6000C liegenden Temperatur und die Hitzebeständigkeit des Materials bei 800°C macht 22 bis 28 mg/cm² während 100 h aus.
- Das erfindungsgemäße wärmeabsorbierende Material hat außerdem eine geringe Dichte von 2,32 bis 2,50 g/cm3.
- Das erfindungsgemäße wärmeabsorbierende Material wird wie folgt hergestellt.
- In den gewählten Gewichtsverhältnissen genommene Pulver von Borkarbid, Siliziumkarbid, Kupfer, titandiborid und Kohlenstoff werden in Äthanol vermischt, bis eine zähflüssige homogene Masse (Gemen;e) erhalten wird, die bei einer zwischen 100 und 120°C liegenden Temperatur während 1,5 bis 2 h getrocknet wird. Das getrocknete Gemenge wird in Graphitpreßformen bei einer Temperatur von 1950 bis 2300°C unter 350 bis 400 kp/cm² Druck während 20 bis 60 min. gepreßt. Nach dem Herausnehmen der hergestellten Probekörper aus der Preßform unterwirft man sie im Bedarfsfall einer mechanischen Bearbeitung unter Anwendung von Schleifsteinen oder Diamantwerkzeugen. Das Schleifen erfolgt bei einer Geschwindigkeit von 25 bis 30 m/sek und einer Schleiftiefe von 0,03 bis 0,05 mm.
- Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden folgende Ausführungsbeispiele angeführt.
- Beispiel 1 79 Gew.% Kohlenstoff, 12 Gew.% Borkarbid, 7 Gew.% Siliziumkarbid, 1 Gew.% Kupfer und 1 Gew.% Titandiborid vermischt man in Äthanol bis zur Erzielung einer zähflüssigen homogenen Masse. Die genannten Bestandteile werden pilverförmig genommen. Das erhaltene Gemenge trocknet man bei 120°C während 1,5 h. preßt das getrocknste Gemenge in Graphitpreßformen zwischen 2200 # 30°C unter einem Druck von 400 kp/cm² während 50 min., schleift dann das Material bei einer Schleifgeschwindigkeit von 30 m/s und einer Schleiftierfe von 0,05 mm. Das hergestellte Material weist folgende Kennwerte auf: Dichte 2,32 g/cm³ spezifische Wärmekapazität 0,94 bis 1,67 kJ/kg#grd (20 bis 600°C) Wärmeleitzahl 82 bis 43 W/m#grd (20 bis 1000°C) Biegefestigkeit 8 kp/mm² (bei 20°C) Druckfestigkeit 18 kp/mm² (bei 20°C) beispiel 2 Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 5 Gew.% Kohlenstoff, 51 Gew.% Borkarbid, 22 Gew.% Siliziumkarbid, 10 Gew.% Kupfer und 12 Gew.% Titandiborid.
- Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Trocknungstemperatur des Gemenges beträgt dabei 100°C, die Trocknjngszeit 2 h, die Preßtemperatur 2000 # 30°C, der Druck 400 kp/cm²; das Pressen dauert 60 min.
- Das erhaltene Material weist folgende Kennwerte auf: Dichte 2,50 g/cm³ spezifische Wäarmekapazität 0,98 bis 1,72 kJ/kg#grd. (20 bis 600°C) Wärmeleitzahl 68 bis 39 W/m#grd. (20 bis 1000°C) Biegefestigkeit 12 kp/mm² (bei 20°C) Druckfestigkeit 24 kp/mm² (bei 20°C) Beipiel 3 Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 31 Gew.% Kohlenstoff, 48 Gew.% Bohrkarbid, 14 Gew.% Siliziumkarbid, 5 Gew.% Kupfer und 2 Gew.% Titandiborid.
- Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Trocknungstemperatur des Gemenge beträgt dabei 120°C, die Trocknungszeit 1,5 h. die Preßtemperatur 2100 @ 3000, der Druck 350 kp/cm². Das Pressen dauert 30 min.
- das erhaltene Material weist fogende Kennwerte auf: Dichte 2,39 g/cm³ spezifische Wärmekapazität 0,96 bis 1,70 kJ/kg#grd (20 bis 600°j wärmelaitzahl 71,5 bis 40 W/m#grd. (20 bis 1000°C) Biegefestigkeit 11 kp/mm2 (bel 2000) Druckfestigkeit 21 kp/mm² (bei 20°C) Beispiel 4 Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 24 Gew.% Kohlenstoff, 51 Gew.% Borkarbid, 14 Gew.% Siliziumkarbid, 5 Gew.% Kupfer und 6 Gew.% Titandiborid.
- man erhält das Material nach derin Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Die Trocknungstemperatur des Gemenges beträgt dabei 120°C, die Trocknungszeit des Gemenges 1,5 h, die Preßtempe ratur 2200° # 30°C, der Druck 350°kp/cm². Das Pressen dauert 60 min.
- Das erhaltene Material weist folgende Kennwerte auf: Dichte 2,47 g/cm³ spezifische Warmekapazität 0,99 bis 1,74 kJ/kg#grad. (20 bis 600°) Wärmeleitzahl 65 bis 37,5 W/m#grd. (20 bis 1000°C) Biegelestigkeit 14 kp/mm² (bei 20°C) Druckfestigkeit 26 kp/mm² (bei 20°C) Beipiel 5 Man stellt ein wärmeabsorbierendes Material folgender Zusammensetzung her: 51 Gew.% Kohlenstoff, 20 Gew.% Borkarbid, 18 Gew.% Siliziumkarbid, 1 Gew.% Kupfer, 10 Gew.% Titandiborid.
- Man erhält das Material nach der in Beispiel 1 beschreibenen Verfahrensweise. Die Preßtemperatur beträgt dabei 2150° # 30°C, der Druck 400 kp/cm². Das Pressen dauert 50 min.
- Das erhaltene Material weist folgende kennwerte auf: Dichte 2,34 g/cm³ spezifische Wärmekapatizäz 0,95 bis 1,68 kJ/kg#grd. (20 bis 600°) Wärmeleitzahl 77 bis 42 W/m#grd. (20 bis 1000°C) Biegefestigkeit 9 kp/mm² Druckfestigkeit 2 kp/mm²
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE 1. Wärmeabsorbierendes Material, das Borkarbid enthält, weit er d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Siliziumkarbid, Kupfer, Titandiborid und Kohlenstoff enthält und aus diesen Komponenten in folgenden wengen (in Gewichtsprozent) besteht: Borkarbid 12 bis 51 Siliziumkarbid 7 bis 22 Kupfer 1 bis 10 Titandiborid 1 bis 12 Kohlenstoff 79 bis 5 2. Wärmeabsorbierendes Material nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e 1 c ii n e t , daß es 79 Gew % Kohlenstoff, 12 Gew% Borkarbid, 7 Gew% Siliziumkarbid, 1 Gew% Kupfer, 1 Gew.% Titandiborid enthält.3. Wärmeabsorbierendes Material nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es 5 Gew.% Kohlenstoff, 51 Gew.% Borkarbid, 22 Gew.% Siliziumkarbid, 10 Gew.% Kupfer, 12 Gew.% Titandiborid enthält.4. Wärmeabsorbierendes Material nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es 31 Gew.% Kohlenstoff, 48 Gew.% Borkarbid, 14 Gew.% Siliziumkarbid, 5 Gew.% Kupfer, 2 Gew.% Titandiborid enthält.5. Wärmeabsorbierendes Material nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es 24 Gew.% Kohlenstoff, 51 Gew.% Borkarbid, 14 Gew.% Siliziumkarbid, 5 Gew.% Kupfer, 6 Gew.% Titandiborid enthält.6. Wärmeabsorbierendes Material nach hnspr uch 1, d ci -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es 51 Gew.% Kohlenstoff, 20 Gew.% Borkarbid, 18 Gew.% Siliziumkarbid, 1 Gew.% Kupfer, 10 Gew.% Titandiborid enthält.
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