DE3516920C2

DE3516920C2 - Method and device for the production of fiber-reinforced rods or profiles from inorganic glasses or from glasses which can be converted into a glass ceramic, the core zone of which is unidirectionally reinforced with continuous fibers

Info

Publication number: DE3516920C2
Application number: DE3516920A
Authority: DE
Inventors: Erwin Prof. Dr.-Ing. 6750 Kaiserslautern Roeder; Wolfgang Dipl.-Ing. 6707 Schifferstadt Semar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-10
Filing date: 1985-05-10
Publication date: 1986-09-25
Also published as: DE3516920A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Stangen, Profilen oder dgl. aus anorganischen Gläsern und aus Gläsern, die in eine Glaskeramik überführt werden können, deren Kernzone unidirektional mit kontinuierlichen Fasern verstärkt ist, durch die Anwendung eines kombinierten Strangpreß- und Durchziehverfahrens. Die Tendenz moderner technischer Systeme hin zu immer höheren Einsatztemperaturen, geringerer Dichte und guten mechanischen Eigenschaften und der gleichzeitigen Forderung nach niedrigen Werkstoffkosten erfordert den Einsatz von Gläsern, Glaskeramiken und Keramiken als Matrixmaterial in faserverstärkten Verbundkörpern und damit die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren zur kontinuierlichen bzw. quasikontinuierlichen Herstellung entsprechender Halbzeuge. Das einzige bisher bekannte Verfahren zur Erzeugung von Formteilen aus Gläsern und Glaskeramiken, die mit kontinuierlichen Fasern verstärkt sind, ist das Heißpressen, ein diskontinuierlicher Prozeß zur Produktion von Formteilen mit beschränkten Abmessungen. Bei der hier vorgestellten Erfindung werden, wie aus der obigen Erfindungsbezeichnung ersichtlich ist, faserverstärkte Halbzeuge dadurch hergestellt, daß mittels der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen erfindungsgemäßen Vorrichtung ein zugeführtes mit Glaspulver imprägniertes Faserbündel in einem als Ziehstein ausgebildeten Maschinenelement zunächst vorverdichtet und danach in einem Preßraum durch das darin ...Method and device for the production of fiber-reinforced rods, profiles or the like. From inorganic glasses and from glasses which can be converted into a glass ceramic, the core zone of which is reinforced unidirectionally with continuous fibers, by using a combined extrusion and drawing-through process. The tendency of modern technical systems towards ever higher operating temperatures, lower density and good mechanical properties and the simultaneous demand for low material costs requires the use of glasses, glass ceramics and ceramics as matrix material in fiber-reinforced composite bodies and thus the development of new manufacturing processes for continuous or quasi-continuous production corresponding semi-finished products. The only previously known method for producing molded parts from glasses and glass ceramics which are reinforced with continuous fibers is hot pressing, a discontinuous process for the production of molded parts with limited dimensions. In the case of the invention presented here, as can be seen from the above designation of the invention, fiber-reinforced semi-finished products are produced by first pre-compressing a fiber bundle impregnated with glass powder in a machine element designed as a drawing die by means of the device according to the invention necessary for carrying out the process, and then first compressing it in a press room that in it ...

Description

a) das imprägnierte Faserbündel durch einen hohlen Dorn der Umformzone des zu verpressenden Giases zugeführt wird,a) the impregnated fiber bundle through a hollow mandrel of the deformation zone of the to be pressed Giases is fed,

b) das mit Glas imprägnierte Faserbündel beim Formgebungsverfahren aus dem hohlen Dorn und anschließend durch das zu verpressende Glas gezogen und durch einen Matrizenkanal gepreßt wird,b) the fiber bundle impregnated with glass from the hollow mandrel during the shaping process and then drawn through the glass to be pressed and through a die channel is pressed,

c) das mit Glas imprägnierte Faserbündel beim Herausziehen aus dem hohlen Dorn in der sich in Zugrichtung verjüngenden Spitze des hohlen Dorns vorverdichtet wird,c) the fiber bundle impregnated with glass when pulled out of the hollow mandrel in the the tip of the hollow mandrel tapering in the direction of pull is precompacted,

d) das vorverdichtete, mit Glas imprägnierte Faserbündel nach dem Austreten aus dem hohlen Dorn von dem zu verpressenden Glas unter hohem Druck radial verdichtet wird,d) the pre-compressed, glass-impregnated fiber bundle after emerging from the hollow The mandrel is radially compressed by the glass to be pressed under high pressure,

e) der für die Formgebung notwendige Preßdruck durch Verschieben des hohlen Preßstempels in Richtung der Matrize erzeugt wird,e) the pressure required for shaping by moving the hollow ram in Direction of the die is generated,

f) das hochverdichtete, mit Glas imprägnierte Faserbündel während des Gleitens durch den Matrizenkanal mit einer Schicht aus dem zu verpressenden Glas teilsweise oder vollständig umgeben wird.f) the high density fiber bundle impregnated with glass while sliding through the die channel partially or completely surrounded by a layer of the glass to be pressed will.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verpressende Glas auf eine Temperatur unterhalb der Entglasungstemperatur aufgeheizt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the glass to be pressed onto a Temperature is heated below the devitrification temperature.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorzeitige unkontrollierte Keramisierung der erzeugten Stangen, Profilen oder dergleichen vermieden wird, falls das zu verpressende Glas und/oder das zum Imprägnieren des Faserbündels verwendete Glas ein Keimbildungsmittel enthält und sich vor der Formgebung im gasförmigen Zustand befindet.3. The method according to claim 1, characterized in that a premature uncontrolled ceramization the generated bars, profiles or the like is avoided if the to be pressed Glass and / or the glass used to impregnate the fiber bundle contains a nucleating agent and is in the gaseous state prior to molding.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hergestellten Stangen, Profile oder dergleichen beliebige Querschnittsformen mit gegebenenfalls scharfkantigen Querschnittsprofilen aufweisen. 4. The method according to claim 1, characterized in that that the bars, profiles or the like produced any cross-sectional shapes with optionally have sharp-edged cross-sectional profiles.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierung des Faserbündels zum Beispiel in einer Suspension aus siedendem Alkohol und Glaspulver erfolgt.5. The method according to claim 1, characterized in that the impregnation of the fiber bundle for example in a suspension of boiling alcohol and glass powder.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Kraft zum Herausziehen des mit Glas imprägnierten Faserbündels aus dem hohlen Dorn in situ durch Reibungskräfte zwischen dem Faserbündel und dem unter dem Preßdruck stehenden zu verpressenden Glas beim Flie-6. The method according to claim 1, characterized in that the necessary force for pulling out of the fiber bundle impregnated with glass from the hollow mandrel in situ by frictional forces between the fiber bundle and the glass to be pressed, which is under the pressure

Ben des zu verpressenden Glases im Preßraum und im Matrizenkanal erzeugt wird, oder daß die notwendige Kraft zum Herausziehen des mit Glas imprägnierten Faserbündels aus dem hohlen Dorn von außen, hinter der Matrize, durch eine entsprechende Abzugsvorrichtung in das Faserbündel eingeleitet wird bzw. durch eine Kombination beider Methoden erfolgtBen of the glass to be pressed is generated in the press room and in the die channel, or that the necessary Force to pull out the fiber bundle impregnated with glass from the hollow mandrel of outside, behind the die, introduced into the fiber bundle by a corresponding take-off device is carried out or by a combination of both methods

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling des zu verpressenden Glases verwendet wird, in den in axialer Richtung ein Loch mit beliebigem Innenprofil eingebracht ist.7. The method according to claim 1, characterized in that a blank of the glass to be pressed is used in which a hole with any internal profile is made in the axial direction.

8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das zu verpressende Glas als Pulver, grobe Fritte oder dergleichen in den Preßraum gefüllt wird.8. The method according to claim 1, characterized in that the glass to be pressed as a powder, coarse frit or the like is filled into the press chamber.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfüllen des zu verpressenden Glases in den Preßraum und das Pressen selbst unter Vakuum oder Schutzgas erfolgt.9. The method according to claim 1 and 9, characterized in that the filling of the to be pressed Glass into the press room and the pressing itself takes place under vacuum or protective gas.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Glas zur imprägnierung des Faserbündels von dem zu verpressenden Glas bezüglich seiner Zusammensetzung unterscheidet.10. The method according to claim 1, characterized in that the glass for the impregnation of the Fiber bundle differs from the glass to be pressed with regard to its composition.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß11. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 11, characterized in that

a) die Vorrichtung aus einem Behälter (9) und aus einem darin befindlichen aufheizbaren Rezipienten (1) besteht, der zur Aufnahme des zu verpressenden Glases (8) dient,a) the device consists of a container (9) and a heatable recipient located therein (1), which is used to hold the glass (8) to be pressed,

b) sich in dem Rezipienten (1) ein hohler Dorn (4) befindet, durch den das mit Glas imprägnierte Faserbündel (7) dem Preßraum des Rezipientenb) there is a hollow mandrel (4) in the recipient (1) through which the impregnated with glass Fiber bundle (7) in the compression chamber of the recipient

(1) zugeführt wird,(1) is supplied,

c) der hohle Dorn (4) in einem hohle Preßstempelc) the hollow mandrel (4) in a hollow ram

(2) axial geführt ist,(2) is axially guided,

d) eine ungewollte axiale Verschiebung des hohlen Dorns (4) relativ zum Rezipienten (1) und/oder der Matrize (3) durch eine Halterung (10) verhindert ist,d) an unwanted axial displacement of the hollow mandrel (4) relative to the recipient (1) and / or the die (3) is prevented by a bracket (10),

e) die Spitze (5) und die Auskleidung (6) des hohlen Dorns (4) aus einem Werkstoff bestehen, der von einer Glasschmelze nicht benetzt wird,e) the tip (5) and the lining (6) of the hollow mandrel (4) consist of a material which is not wetted by a glass melt,

f) die Spitze (5) des hohlen Dorns (4) in Preßrichtung eine kegelförmige Verjüngung aufweist,f) the tip (5) of the hollow mandrel (4) has a conical taper in the pressing direction,

g) in Preßrichtung eine Matrize (3) vorgesehen ist, durch deren Kanal das mit Glrs imprägnierte Faserbündel (7) mit dem zu verpressenden Glas (8) als Stange oder Profil austritt.g) a die (3) is provided in the pressing direction, through the channel of which the impregnated with Glrs Fiber bundle (7) with the glass to be pressed (8) emerges as a rod or profile.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (9) evakuierbar ist.12. The device according to claim 11, characterized in that that the container (9) can be evacuated.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (9) ein Schutzgas einleitbar ist.13. Apparatus according to claim 11 or 12, characterized characterized in that a protective gas can be introduced into the container (9).

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis14. Device according to one of claims 11 to

13, dadurch gekennzeichnet, daß in den hohlen Dorn (4) ein Schutzgas einleitbar ist.13, characterized in that in the hollow mandrel (4) a protective gas can be introduced.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis15. Device according to one of claims 11 to

14, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Dorn (4) evakuierbar ist.14, characterized in that the hollow mandrel (4) can be evacuated.

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Stangen oder Profilen aus anorganischenMethod and device for the production of fiber-reinforced rods or profiles from inorganic

Gläsern oder aus Gläsern, die in eine Glaskeramik überführt werden können, deren Kernzone unidirektional mit kontinuierlichen Fasern verstärkt ist, durch die Anwendung eines kombinierten Strangpreß- und Durchziehverfahrens, wobei Faserbündel mit Glas imprägniert werden, das zu verpressende Glas und das zwischen die Fasern eingebrachte Glas vor der Umformung erweicht und unter Wärme und Druck in die endgültige Form gebracht wird.Glasses or made of glasses that are converted into a glass ceramic whose core zone is unidirectionally reinforced with continuous fibers through the application a combined extrusion and drawing-through process, in which fiber bundles are impregnated with glass the glass to be pressed and the glass inserted between the fibers before forming softened and brought into its final shape under heat and pressure.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen bzw. quasikontinuicrlichen Einbetten von hochfesten und/oder hochmodulen Faserbündeln in eine Glasmatrix zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, um die mechanischen Eigenschaften gegenüber unverstärktem Glas zu verbessern. Die durch die Anwendung eines kombinierten Durchzieh- und Strangpreßverfahrens gefertigten Halbzeuge, wie Stangen, Profile oder dergleichen, weisen dabei eine upidirektional mit kontinuierlichen Fasern verstärkte Kernzone auf, die von einem Mantel aus u*>verstärktem Glas teilweise oder vollständig umschlossen ist Als Matrix- und Mantelwerkstoff werden sowohl anorganische Gläser verwendet als auch Gläser, die in eine Glaskeramik überführt werden können.The invention relates to a method and a device for continuous or quasi-continuous Embedding high-strength and / or high-modulus fiber bundles in a glass matrix to produce a Composite material to improve the mechanical properties compared to unreinforced glass. the semi-finished products manufactured using a combined drawing and extrusion process, such as Rods, profiles or the like, have an upidirectional reinforced with continuous fibers Core zone, which is reinforced by a mantle from u *> Glass is partially or completely enclosed. Both inorganic Glasses used as well as glasses that can be converted into a glass ceramic.

Die Technologie der faserverstärkten Verbundwerkstoffe hat in den beiden letzten Jahrzehnten bei der Entwicklung neuer Werkstoffe für extreme Anforderungen im technischen Einsatz einen breiten Raum eingenommen. Ein Grund dafür liegt in der Möglichkeit, durch entsprechende Kombinationen von Faser- und Matrixmaterialien den Verbundwerkstoff optimal, das heißt beanspruchungsspezifisch, für seine spätere Verwendung auslegen zu können. Insbesondere auf dem Gebiet der Festigkeitssteigerung von Kunststoffen und Metallen ist das Prinzip der Einbettung hochfester Fasern heute so weit entwickelt, daß bereits zahlreiche Produkte und Bauteile, die von Sportartikeln bis hin zu Hochleistungsbauteilen im Flugzeugbau reichen, industriell aus diesen Werkstoffen gefertigt werden. Die größten Nachteile dieser Verbundwerkstoffe liegen bei einer Kunststoffmatrix in ihrer niedrigen maximalen Gebrauchstemperatur (300° C—400⁰C) und bei einer Metallmatrix in ihrem hohen spezifischen Gewicht (meist größer 7 gern-³, mit Ausnahme von Ti: 4,51 gern-³).In the last two decades, the technology of fiber-reinforced composite materials has occupied a large part in the development of new materials for extreme requirements in technical use. One reason for this is the possibility of using appropriate combinations of fiber and matrix materials to optimally design the composite material, that is, to be able to design it in a way that is load-specific for its later use. Particularly in the field of increasing the strength of plastics and metals, the principle of embedding high-strength fibers is so far developed that numerous products and components, ranging from sporting goods to high-performance components in aircraft construction, are industrially manufactured from these materials. The major drawbacks of these composites are in a plastic matrix in its low maximum working temperature (300 ° C-400 ⁰ C) and at a metal matrix in its high specific gravity (usually greater than 7 Gernkogel ^3, with the exception of Ti: 4.51 Gernkogel ³ ).

Die Tendenz moderner technischer Systeme hin zu immer höheren Einsatztemperaturen bei immer längeren Betriebszeiten schränkt deshalb die Anwendung herkömmlicher Faser-Matrix Kombinationen stark ein und treibt die Entwicklung neuartiger voran. Zudem ist wegen der Knappheit und steigenden Kosten vieler, bisher verwendeter, hochtemperaturfester Metalle das Interesse an metallfreien, faserverstärkten Verbunden mit gleicher Eigenschaften als Ersatzmaterial gewachsen. Der Einsatz von Gläsern, Glaskeramiken und Keramiken als Matrixmaterialien in faserverstärkten Verbundstoffen gewinnt somit zunehmend an Bedeutung.The tendency of modern technical systems towards higher and higher operating temperatures with longer and longer Operating times therefore severely limit the use of conventional fiber-matrix combinations and drives the development of new types. In addition, because of the scarcity and rising costs, many have so far used, high-temperature-resistant metals the interest in metal-free, fiber-reinforced compounds with grown with the same properties as a substitute material. The use of glasses, glass ceramics and ceramics as matrix materials in fiber-reinforced composites is therefore becoming increasingly important.

Als Fasermaterialien werden bisher hauptsächlich Aluminiumoxid (AI2O3)- und Kohlenstoff (C)-Fasern eingesetzt, die dem Glasverbund sowohl höhere Zugfestigkeit als auch höhere Schlag- und Biegefestigkeit bei erhöhten Temperaturen verleihen sowie das Thermoschockverhalten verbessern. Nachteil der C-Faser ist eine schädliche Faseroxidation ab (400—450⁰C), während bei AbCb-Fasern zwar eine höhere Oxidationsbeständigkeit, jedoch geringere Festigkeits- und Zähigkeitswerte als bei C-Fasern auftreten.So far, the main fiber materials used have been aluminum oxide (Al2O3) and carbon (C) fibers, which give the glass composite higher tensile strength as well as higher impact and flexural strength at elevated temperatures and improve thermal shock behavior. Drawback of the C-fiber is a fiber harmful oxidation from (400-450 ⁰ C), while although a higher oxidation resistance, but lower strength and toughness values than C-fibers arise in ABCB fibers.

Seit wenigen Jahren stehen reine Siliciumcarbidfasern (SiC) in Form von Endiosfasern als mögliche Verstärkungskomponente von Gläsern und Glaskeramiken zur Verfügung, die in Japan nach einem neu entwickelten Verfahren industriell in gleichbleibender, hoher Güte hergestellt werden.For a few years now, pure silicon carbide fibers (SiC) in the form of Endios fibers have been available as a possible reinforcement component of glasses and glass-ceramics available in Japan after a newly developed Processes are produced industrially in a consistently high quality.

Erste Anwendungen dieser neuartigen Fasern in Glas und Keramikverbunden haben erwiesen, daß es in Zukunft möglich sein wird, Verbundwerkstoffe, mit hoher Festigkeit, hoher Bruchzähigkeit und hoher Oxidationsbeständigkeit bei gleichzeitig geringem Einsatzgewicht zu fertigen.Initial applications of these novel fibers in glass and ceramic composites have shown that it can be used in Future will be possible composites, with high strength, high fracture toughness and high oxidation resistance to produce at the same time with a low operating weight.

Als einziges Herstellungsverfahren von Formteilen aus Gläsern und Glaskeramiken, die mit kontinuierlichen Fasern verstärkt sind, ist im Augenblick lediglich das Heißpressen bekannt. Es gibt daher noch viel Raum zur Entwicklung neuer Verfahren, vor allem im Hinblick auf eine stetige, kontinuierliche Produktion mit dem Ziel des breiten Einsatzes dieser Werkstoffe in der Technik, in erster Linie in Bauteilen, die ausgezeichnete spezifisehe mechanische Kennwerte bei erhöhten Temperaturen aufweisen müssen. Hierzu gehören Auskleidungen in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren, Zündelektroden in Strahlentriebwerken, aber auch Nasen von Hochgeschwindigkeitsflugzeugen und Raketen bis hin zu Laserspiegeln, die für eine Stationierung im Weltraum vorgesehen sind.As the only manufacturing process of molded parts from glasses and glass ceramics, which is made with continuous Fibers are reinforced, only hot pressing is known at the moment. So there is still a lot of space to develop new processes, especially with a view to steady, continuous production with the aim of the widespread use of these materials in technology, primarily in components that have excellent specifications must have mechanical characteristics at elevated temperatures. These include linings in gas turbines and internal combustion engines, ignition electrodes in jet engines, but also noses from High-speed airplanes and rockets to laser mirrors for deployment in space are provided.

In der einschlägigen Fachliteratur als auch in den in der BRD unJ in den USA veröffentlichten Patenten und Offenlegungsschriften wird die eigentliche Herstellung dieser Verbundwerkstoffe in groben Schritten folgendermaßen beschrieben:In the relevant specialist literature as well as in the patents and patents published in the FRG and in the USA Laid-open documents the actual production of these composites in broad steps is as follows described:

— Imprägnieren der Fasern mit Glas durch Eintauchen in ein Gemisch aus Glaspulver, Binder und Lösungsmittel, auch Slurry-Methode genannt. Das Lösungsmittel besteht meist aus einem schnell flüchtigen Alkohol, das organische Bindemittel hat die Aufgabe, für eine gute Haftung des Glaspulvers an den Fasern zu sorgen. Dieser Binder sollte jedoch vor dem eigentlichen Preßvorgang dem imprägnierten Faserbündel wieder entzogen werden. (Je nach Zusammensetzung der Suspension können die von den Fasern aufgenommene Glasmenge und damit die Eigenschaften des Gesamtverbundes beeinflußt werden.)- Impregnation of the fibers with glass by immersion in a mixture of glass powder, binder and Solvent, also known as the slurry method. The solvent usually consists of a quick Volatile alcohol, the organic binder, has the task of ensuring good adhesion of the glass powder to worry about the fibers. However, this binder should be impregnated before the actual pressing process Fiber bundles are withdrawn again. (Depending on the composition of the suspension you can affects the amount of glass absorbed by the fibers and thus the properties of the overall composite will.)

— Heißpressen der imprägnierten Faserbündel (Prepregs) in einem Temperaturbereich zwischen 1000°C bis 1450⁰C bei einem Druck von ca. 70 bis 140 bar. (Beim anschließenden Abkühlen bleibt der Preßling bis zu einer Temperatur von ca. 500° C unter Druck, um gegebenenfalls die Ausbildung von Poren durch das Austreiben von in der Glasmatrix gelösten Gasen zu vermeiden.)- hot-pressing the impregnated fiber bundle (prepreg) in a temperature range between 1000 ° C to 1450 ⁰ C at a pressure of about 70 to 140 bar. (During the subsequent cooling, the pressed part remains under pressure up to a temperature of approx. 500 ° C, in order to avoid the formation of pores due to the expulsion of gases dissolved in the glass matrix.)

— Keramisierung von Glaskeramiken, die zwecks der einfacheren Formgebung in den glasartigen Zustand überführt worden sind, mittels eines genau definierten Wärmebehandlungsprozesses.- Ceramization of glass ceramics for the purpose of simpler shaping have been converted into the glass-like state, by means of a precisely defined heat treatment process.

Die deutsche Patentschrift Nr. 19 25 009 beschreibt unter Anwendung des oben beschriebenen Heißpreßverfahrens speziell einen mit kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Kohlenstoffasern verstärkten Glasverbundwerkstoff und seine Verwendung. Dabei kann die Oberfläche des Verbundkörpers so beschaffen sein, daß sie keine Kohlenstoffasern aufweist. Als Matrixmaterial kommen Aluminosilikatglas, Borosilikatglas und Glaskeramiken zur Anwendung.German Patent No. 19 25 009 describes using the hot pressing process described above especially a glass composite reinforced with continuous or discontinuous carbon fibers and its use. The surface of the composite body can be such that it has no carbon fibers. The matrix material used is aluminosilicate glass, borosilicate glass and glass ceramics to use.

In der deutschen Offenlegungsschrift Nr. DEIn the German Offenlegungsschrift No. DE

31 18 123 wird die Verstärkung von Borosilicat-, Silikat- und Aluminosilikatgläsern mit kontinuierlichen SiC-Fasern erläutert. Beim Aufbau des Verbundkörpers sind beliebige Faserorientierungen (uni- oder multidirektional) gemäß der späteren Verwendung wählbar.31 18 123 reinforcement of borosilicate, silicate and aluminosilicate glasses with continuous SiC fibers. When building the composite body are any fiber orientation (unidirectional or multidirectional) can be selected according to the later use.

Die deutsche Offenlegungsschrift Nr. DE 33 03 286 behandelt die Verstärkung von Gläsern, wie Borosilikatglas, hoch SiCVhaltigen Gläsern und Aluminosilikatgläsern durch Kurzfasern aus SiC von 1 bis 3 cm Länge in regelloser Anordnung.The German Offenlegungsschrift No. DE 33 03 286 deals with the reinforcement of glasses, such as borosilicate glass, high SiCV-containing glasses and aluminosilicate glasses through short SiC fibers of 1 to 3 cm in length in a random order.

Die deutsche Offenlegungsschrift Nr. DE 33 03 295 ist eine Erweiterung der zuvor genannten Offenlegungsschrift. Als Matrixmaterialien für die mit SiC-kurzfaserverstärkten Keramiken werden Aluminosilikat, Lithium-, Barium-, Magnesium-Aluminosilikat, sowie Kombinationen der einzelnen Komponenten genannt. Die Herstellung des Verbundkörpers erfolgt im glasigen Zustand, mit einer darauffolgenden Wärmebehandlung zur Keramisierung des Matrixwerkstoffes. Um die Bildung der für die Festigkeit des Verbundes schädlichen intermetallischen Verbindung Titansilicid aus ΤΪΟ2 und SiC zu vermeiden, sollte allerdings ΤΪΟ2 durch andere Keimbildner, wie Ζ1Ό2, ersetzt oder durch Blei neutralisiert werden.The German Offenlegungsschrift No. DE 33 03 295 is an extension of the aforementioned Offenlegungsschrift. The matrix materials for the ceramics reinforced with SiC short fiber are aluminosilicate, lithium, Barium, magnesium aluminosilicate, as well as combinations of the individual components mentioned. the The composite body is produced in the glassy state, with a subsequent heat treatment for Ceramization of the matrix material. To prevent the formation of intermetallic compounds, which are detrimental to the strength of the bond Combination of titanium silicide from ΤΪΟ2 and SiC should be avoided, however, ΤΪΟ2 by other nucleating agents, like Ζ1Ό2, replaced or neutralized by lead.

In dem europäischen Patent Nr. 00 95 433 werden ein mit reaktions-passivierter SiC-Faser verstärkter Hochtemperatur-Glaskeramikwerkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Dazu werden die Zusammensetzungen von Hochtemperatur-Keramiken angegeben, die kein T1O2 enthalten und gleichzeitig in der Lage sind, bei erhöhten Drücken und Temperaturen eine reaktionshemmende NbC- und/oder TaC-Diffusionssperrschicht auf der Faseroberfläche zu bilden.In the European patent no. 00 95 433 a high-temperature glass ceramic material reinforced with reaction-passivated SiC fibers and a method for its production are described. To do this, the compositions of high-temperature ceramics which do not contain T1O2 and at the same time in are able to use a reaction-inhibiting NbC and / or TaC diffusion barrier layer at elevated pressures and temperatures to form on the fiber surface.

Die bei allen Patenten und Offenlegungsschriften angewendete Heißpreß-Methodik ist ein typisches Beispiel für ein diskontinuierliches Formgebungsverfahren, wobei sowohl die Gestaltungsmögiichkeit des herzustellenden Produkts als auch dessen Abmessungen aus verfahrenstechnischen Gründen, vor allem im Hinblick auf eine fortlaufende Produktion, äußerst eingeschränkt sind. Gleichzeitig liegt die Zeitdauer für einen einzigen Heißpreßvorgang im Bereich von Stunden. Der hierfür notwendige Energiebedarf ist aufgrund der hohen Formgebungstemperatur erheblich, da sie meist oberhalb der Entglasungstemperatur der Matrix liegt. Bei der Verwendung von Gläsern, die zur Entglasung neigen, besteht darüber hinaus die Gefahr einer vorzeitigen unkontrollierten Keramisierung.The hot press methodology used in all patents and publications is a typical example for a discontinuous shaping process, whereby both the design possibility of the to be manufactured Product as well as its dimensions for procedural reasons, especially with regard to to continuous production, are extremely limited. At the same time, the length of time is for a single one Hot pressing process in the range of hours. The energy required for this is due to the high The molding temperature is considerable, as it is usually above the devitrification temperature of the matrix. at the use of glasses that tend to devitrify, there is also the risk of premature uncontrolled ceramization.

Weitere Nachteile des Heißpressens sind das mühsame und zeitintensive Auffüllen des Preßraums mit entsprechend vorbereiteten imprägnierten Faserbündeln und das Ausrichten der Endlosfaserbündel, um eine optimale Krafteinleitung bzw. Lastaufnahme gemäß der späteren Verwendung zu gewährleisten. Ein Schutz oxidationsgefährdeter Fasern durch glasreiche Außenschichten des Verbundkörpers erfordert zusätzlichen Aufwand.Further disadvantages of hot pressing are the laborious and time-consuming filling of the press space with accordingly prepared impregnated fiber bundles and aligning the continuous fiber bundles in order to achieve optimal To ensure force introduction or load absorption according to the later use. A protection of those at risk of oxidation Fibers through glass-rich outer layers of the composite body requires additional Expenditure.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch ein kontinuierliches bzw. quasikontinuierliches Verfahren unidirektional faserverstärkte Halbzeuge wie Stangen, Profile oder dergleichen aus anorganischen Gläsern und aus Gläsern, die in eine Glaskeramik überführt werden können, herzustellen, wobei die Länge der Halbzeuge lediglich durch das im Preßraum vorhandene Glasvolumen und die Länge der zugeführten mit Glas imprägnierten Faserbündel eingeschränkt ist.The invention is therefore based on the object by means of a continuous or quasi-continuous Process unidirectional fiber-reinforced semi-finished products such as rods, profiles or the like made of inorganic Glasses and from glasses that can be converted into a glass ceramic, with the length of the semi-finished products only by the volume of glass in the press room and the length of the supplied fiber bundle impregnated with glass is restricted.

Die Querschnittsformen der erzeugten Profile sollen sich nach den für die Formgebung verwendeten Werkzeugen richten, zum Beispiel nach der Kontur des Matrizenkanals, durch den das Mantel- und Matrixmaterial und die Fasern gepreßt werden.The cross-sectional shapes of the profiles produced should be based on the tools used for shaping align, for example according to the contour of the die channel through which the jacket and matrix material and the fibers are pressed.

Gleichzeitig ist durch die Wahl der Formgebungstemperatur bei der Verarbeitung von Gläsern, die zur Entglasung neigen, bzw. für eine nachträgliche Umwandlung in eine Glaskeramik vorgesehen sind, eine vorzeitige unkontrollierte Keramisierung zu vermeiden.
Die beim Heißpreßverfahren notwendige Sorgfalt bei der Orientierung der Faserstränge untereinander soll durch die entsprechende Zuführung der mit Glas imprägnierten Faserbündel zum Preßraum und die sich anschließende Formgebung entfallen, ohne auf ein Höchstmaß an Parallelität der Filamente untereinander verzichten zu müssen.At the same time, by choosing the shaping temperature when processing glasses that tend to devitrify or are intended for subsequent conversion into a glass ceramic, premature uncontrolled ceramization can be avoided.
The care required in the hot pressing process when orienting the fiber strands with one another should be dispensed with by feeding the fiber bundles impregnated with glass to the press room and the subsequent shaping, without having to forego the greatest possible degree of parallelism between the filaments.

Die faserverstärkte Kernzone ist des weiteren, falls erforderlich, in radialer Richtung vollständig von einem dünnen Glasmantel zu umschließen, um den eingebetteten Filamenten einen optimalen Schutz vor aggressiven Medien und/oder Oxidation zu bieten, so daß gegebenenfalls lediglich die Enden der erzeugten Stangen, Profile oder dergleichen gegen einen chemischen Angriff zu schützen sind.
Diese Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch gelöst, daßThe fiber-reinforced core zone is furthermore, if necessary, to be completely enclosed in the radial direction by a thin glass jacket in order to offer the embedded filaments optimal protection against aggressive media and / or oxidation, so that only the ends of the rods, profiles or the like are to be protected against chemical attack.
In terms of the method, this object is achieved in that

a) das imprägnierte Faserbündel durch einen hohlen Dorn der Umformzone des zu verpressenden Glases zugeführt wird,a) the impregnated fiber bundle through a hollow mandrel of the deformation zone of the glass to be pressed is supplied,

b) das mit Glas imprägnierte Faserbündel beim Formgebungsverfahren aus dem hohlen Dorn und anschließend durch das zu verpressende Glas gezogen und durch einen Matrizenkanal gepreßt wird,b) the fiber bundle impregnated with glass during the shaping process is pulled out of the hollow mandrel and then through the glass to be pressed and pressed through a die channel,

c) das mit Glas imprägnierte Faserbündel beim Herausziehen aus dem hohlen Dorn in der sich in Zugrichtung verjüngenden Spitze des hohlen Doms vorverdichtet wird,c) the fiber bundle impregnated with glass as it is pulled out from the hollow mandrel in the tip of the hollow mandrel which tapers in the direction of pull is pre-compressed,

d) das vorverdichtete, mit Glas imprägnierte Faserbündel nach dem Austreten aus dem hohlen Dorn von dem zu verpressenden Glas unter hohem Druck radial verdichtet wird,d) the pre-compressed, glass-impregnated fiber bundle after emerging from the hollow mandrel is radially compressed by the glass to be pressed under high pressure,

f) das hochverdichtete, mit Glas imprägnierte Faserbündel während des Gleitens durch den Matrizenkanal mit einer Schicht aus dem zu verpressenden Glas teilweise oder vollständig umgeben wird.f) the highly compressed fiber bundle impregnated with glass while sliding through the die channel with a layer of the material to be pressed Glass is partially or completely surrounded.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht lehrt die Erfindung zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, daßIn terms of the device, the invention teaches on the basis of solving the above-mentioned object of a device for performing the method that

b) sich in dem Rezipienten (1) ein hohler Dorn (4) befindet, durch den das mit Glas imprägnierte Faserbündel (7) dem Preßraum des Rezipienten (1) zugeführt ist,b) in the recipient (1) there is a hollow mandrel (4) through which the fiber bundle impregnated with glass (7) is fed to the press chamber of the recipient (1),

c) der hohle Dorn (4) in einem hohlen Preßstempel (2) axial geführt ist,c) the hollow mandrel (4) in a hollow ram (2) is axially guided,

d) eine ungewollte axiale Bewegung des hohlen Doms (4) relativ zum Rezipienten (1) und/oder der Matrize (3) durch eine Halterung (10) verhindert ist.
e) die Spitze (5) und die Auskleidung (6) des hohlend) an unwanted axial movement of the hollow dome (4) relative to the recipient (1) and / or the die (3) is prevented by a holder (10).
e) the tip (5) and the lining (6) of the hollow

Dorns (4) aus einem Werkstoff bestehen, der von einer Glasschmelze nicht benetzt wird,Mandrel (4) consist of a material that is not wetted by a glass melt,

g) in Preßrichtung eine Matrize (3) vorgesehen ist, durch deren Kanal das mit Glas imprägnierte Faserbündel (7) mit dem zu verpressenden Glas (8) als Stange oder Profil austritt.g) a die (3) is provided in the pressing direction, through whose channel the fiber bundle impregnated with glass (7) with the glass to be pressed (8) emerges as a rod or profile.

Der Vorgang des Einbettens der Fasern nach dem beschriebenen Verfahren erfolgt gegenüber konventionellen Formgebungsverfahren, zum Beispiel Heißpressen, bei einer vergleichsweise niedrig liegenden Verarbeitungstemperatur. Durch die damit einhergehende höhere Zähigkeit der zu verpressenden Glasschmelze ist die Wirkung der kantenverrundenden Oberflächenspannung weitgehend unterbunden, so daß die Konturen der durch dieses Verfahren hergestellten Halbzeuge beliebig insbesondere scharfkantig profiliert sein können. The process of embedding the fibers according to the method described is compared to conventional ones Shaping processes, for example hot pressing, at a comparatively low processing temperature. Due to the associated higher toughness of the molten glass to be pressed the effect of the edge-rounding surface tension is largely suppressed, so that the contours the semi-finished products produced by this process can be profiled as desired, in particular with sharp edges.

Erläuternd hierzu ist zu bemerken, daß Glas bei der Erhitzung, zum Beispiel von Raumtemperatur ausgehend, folgende Viskositätsstufen durchläuft:It should be noted that when glass is heated, for example starting from room temperature, passes through the following viscosity levels:

Oberer Kühlpunkt (Annealing Point)Upper annealing point

*/= 10¹³dPas* / = 10 ¹³ dPas

Erweichungspunkt (Softening Point)Softening point

7= 10⁷⁽>⁵dPas7 = 10 ^{7 (} > ⁵ dPas

Unterer Entglasungspunkt etwa,Lower devitrification point about,

η = 10⁶dPas η = 10 ⁶ dPas

Verarbeitungspunkt (Working Point),Processing point (working point),

η = 10⁴dPas η = 10 ⁴ dPas

Zu diesen Virkositätspunkten gehört je nach Glaszusammensetzung eine bestimmte Temperatur. Die normale Verarbeitungstemperatur (r)= 10⁴ dPas) liegt über der Entglasungstemperatur. Dies bedeutet, daß viele Gläser bei der Verarbeitung bereits beginnen zu entglasen, das heißt zu kristallisieren. Bei der Formgebung nach dem erfindungsmäßigen Verfahren und der damit verbundenen Vorrichtung genügt eine Erhitzung auf eine Temperatur unterhalb der Entglasungstemperatur. Werden daher zum Imprägnieren der Faserbündel und als zu verpressendes Material Gläser verwendet, die zum Entglasen neigen, oder sollen Gläser verarbeitet werden, die ein Keimbiidungsmittel enthalten und nach dem Formen in eine Glaskeramik überführt werden können, so ist eine vorzeitige unkontrollierte Keramisierung unterbunden.Depending on the glass composition, a certain temperature belongs to these viscosity points. The normal processing temperature (r) = 10 ⁴ dPas) is above the devitrification temperature. This means that many glasses already begin to devitrify, that is to say to crystallize, during processing. When shaping according to the method according to the invention and the associated device, heating to a temperature below the devitrification temperature is sufficient. Therefore, if glasses are used to impregnate the fiber bundles and as the material to be pressed, which tend to devitrify, or if glasses are to be processed that contain a germ agent and can be converted into a glass ceramic after molding, premature uncontrolled ceramization is prevented.

Das Imprägnieren des Faserbündels kann entweder nach einem Suspensionsverfahren erfolgen, das ausführlich in dem 1972 in Großbritannien erteilten Patent Nr. 12 79 252 beschrieben ist, oder nach der Sol-Gel-Methode (deutsche Patentschrift Nr. 19 41 191; Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, Jahrgang 55/1978, Heft 5, Seiten 265-268), bei der das Faserbündel in eine Lösung aus Metallalkoholaten getaucht wird. Ein Infiltrieren der Faserbündel durch flüssiges Glas ist aufgrund der selbst bei hohen Temperaturen noch relativ zähflüssigen Schmelze ausgeschlossen.The impregnation of the fiber bundle can be done either by a suspension process, which is detailed in United Kingdom Patent No. 1279252, issued in 1972, or by the sol-gel method (German patent specification No. 19 41 191; reports of the German Ceramic Society, volume 55/1978, issue 5, pages 265-268), in which the fiber bundle is immersed in a solution of metal alcoholates. Infiltration of the fiber bundle by liquid glass is still relative due to the fact that even at high temperatures viscous melt excluded.

Erfindungsgemäß wird das Faserbündel zum Beispiel in einer Suspension aus siedendem Alkohol und Glaspulver imprägniert. Das Sieden des Alkohols führt infolge der sich bildenden Dampfblasen zu einer Durchwirbelung und Vermengung der beiden Substanzen, wodurch sich das Glaspulver gleichmäßig in der Flüssigkeit verteilt. Führt man ein Faserbündel, bei dem zuvor die Schlichte entfernt wurde, durch diese Suspension, wird es von ihr durchtränkt bzw. infiltriert. Nach dem Verdunsten des Alkohols haftet das Glaspulver im Faserbündel und kann bei vorsichtiger Handhabung durch den hohlen Dorn dem Preßraum zugeführt werden.
Ein gewisser Nachteil der Suspensions-Technik ist der, daß die mit Glaspulver imprägnierten Faserbündel ein relativ großes Volumen einnehmen, das ohne weiteres das zehnfache des spateren Verbundwerkstoffs einnehmen kann. Es ist daher, um die Handhabung zu erleichtern, unumgänglich, das imprägnierte Faserbündel vor dem eigentlichen Formgebungsverfahren weitgehend zu verdichten. Dies kann, zum Beispiel bei Heißpressen, während der Aufheizphase durch kaltes Vorverdichten geschehen.According to the invention, the fiber bundle is impregnated, for example, in a suspension of boiling alcohol and glass powder. The boiling of the alcohol leads to a swirling and mixing of the two substances as a result of the vapor bubbles that are formed, as a result of which the glass powder is evenly distributed in the liquid. If a fiber bundle, from which the size has been removed beforehand, is passed through this suspension, it is soaked or infiltrated by it. After the alcohol has evaporated, the glass powder adheres to the fiber bundle and, with careful handling, can be fed into the press room through the hollow mandrel.
A certain disadvantage of the suspension technique is that the fiber bundles impregnated with glass powder occupy a relatively large volume which can easily occupy ten times that of the later composite material. In order to facilitate handling, it is therefore essential to largely compress the impregnated fiber bundle prior to the actual shaping process. This can be done, for example in hot pressing, by cold precompression during the heating phase.

Um die Verdichtung und die Formgebung möglichst in einem Arbeitsgang stattfinden zu lassen, wird erfindungsgemäß die Kraft, die zürn Herausziehen des mii Glaspulver imprägnierten Faserbündels aus dem hohlen Dorn benötigt wird, durch Reibungskräfte zwischen dem Faserbündel und dem unter dem Preßdruck stehenden zu verpressenden Glas beim Fließen im Preßraum und im Matrizenkanal erzeugt. Die Länge des Matrizenkanals muß dabei so bemessen sein, daß die hierfür notwendige Kontaktfläche zwischen dem Faserbündel und der Glasschmelze vorhanden ist. 1st die Länge des Matrizenkanals zu kurz, so fließt die Glasschmelze über den mit Fasern verstärkten Kern hinweg, ohne ihn optimal mitzuziehen. Ähnliche Verhältnisse liegen vor, wenn die Preßtemperatur zu hoch gewählt wird. Hohe Temperaturen erleichtern zwar aufgrund der geringen Viskosität des Glases das Fließen des Glaspulvers zwischen den Filamenten und führen damit zu einem besseren Kontakt zwischen Faser und Matrix, gleichzeitig verringern sich jedoch die Reibungskräfte zwischen dem Kern und dem Mantel.In order to allow the compression and the shaping to take place in one operation as far as possible, according to the invention the force that pulls the fiber bundle impregnated with glass powder out of the hollow Mandrel is required due to frictional forces between the fiber bundle and the one under the pressing pressure The glass to be pressed is generated as it flows in the press room and in the die channel. The length of the die channel must be dimensioned so that the necessary contact area between the fiber bundle and the molten glass is present. If the length of the die channel is too short, the glass melt will overflow remove the fiber-reinforced core without pulling it along optimally. Similar conditions exist if the pressing temperature is chosen too high. High temperatures make it easier because of the low Viscosity of the glass the flow of the glass powder between the filaments and thus lead to a better Contact between fiber and matrix, but at the same time the frictional forces between the core and the mantle.

Alternativ zur oben beschriebenen Methode besteht die Möglichkeit, entweder die benötigte Zugkraft von außen durch ein Werkzeug direkt in das Faserbündel einzuleiten, oder die Zugkraft zunächst in situ zu erzeugen, um dann hinter der Matrize den austretenden Strang mit einem Werkzeug zu greifen. Beide Vorgehensweisen führen zu einer konstanten Strangaustrittsgeschwindigkeit, unabhängig von einer etwas ungleichförmigen Verteilung des Glaspulvers im Faserbündel.As an alternative to the method described above, there is the option of either applying the required tensile force from to be introduced directly into the fiber bundle using a tool, or to generate the tensile force first in situ, in order to then grasp the emerging strand with a tool behind the die. Both approaches lead to a constant strand exit speed, regardless of a somewhat non-uniform one Distribution of the glass powder in the fiber bundle.

Die zum Herausziehen des Faserbündels notwendige Kraft kann dabei natürlich wesentlich durch die geometrische Gestaltung der Spitze des hohlen Dorns beeinflußt werden, zum Beispiel durch den Ziehöffnungswinkel oder dem Öffnungsquerschnitt der Spitze des hohlen Dorns.The force required to pull out the fiber bundle can of course be largely determined by the geometric Design of the tip of the hollow mandrel can be influenced, for example by the drawing opening angle or the opening cross-section of the tip of the hollow mandrel.

Abgesehen von der speziellen Formgebung der äußeren Kontur der hergestellten faserverstärkten Halbzeuge durch die Gestaltung des Matrizenkanals kann durch eine Variation der Geometrie des hohlen Dorns und damit der Zuführung des imprägnierten Faserbündels, die faserverstärkte Kernzone der Querschnittsform des herzustellenden Halbzeugs angepaßt werden, so daß auch flache, bandförmige Verstärkungen möglich sind. Ist die Breite des Kerns ein Vielfaches der Höhe, empfiehlt es sich unter Umständen von einer kreisförmigen Querschnittsform des hohlen Dorns abzuweichen, was jedoch einen Rohling des zu verpressenden Glases erfordert, der ein entsprechendes Durchgangsloch aufweist Durch diese Aussparung wird der hohle Dorn bis kurz vor den Matrizenkanal geführt, wobei das Faserbündel bis in bzw. durch den Matrizenkanai reicht. Für das Einbringen des Loches sind, falls es von einem kreisförmigen Querschnitt abweicht und damit nicht mittelsApart from the special shape of the outer contour of the fiber-reinforced semi-finished products through the design of the die channel can be achieved by varying the geometry of the hollow mandrel and thus the supply of the impregnated fiber bundle, the fiber-reinforced core zone of the cross-sectional shape of the to be produced semi-finished product, so that flat, band-shaped reinforcements are possible. If the width of the core is a multiple of the height, it may be advisable to use a circular one To deviate from the cross-sectional shape of the hollow mandrel, which, however, requires a blank of the glass to be pressed, which has a corresponding through hole. Through this recess, the hollow mandrel is up to just in front of the matrix channel, the fiber bundle reaching into or through the matrix channel. For the introduction of the hole, if it deviates from a circular cross-section and thus not by means of

eines Kronenhohlbohrers gebohrt werden kann, entweder aufwendige Schleifarbeiten notwendig, oder man wendet dafür ein geeignetes Lochverfahren an.a core drill bit can be drilled, either complex grinding work is necessary, or one uses a suitable piercing method for this.

Um die mit zusätzlichem Aufwand verbundene Bearbeitung eines Glasrohlings zu vermeiden, kann das zu verpressende Glas auch als Pulver, grobe Fritte oder dergleichen in den Preßraum eingefüllt werden. Da jedoch beim anschließenden Aufheizen eine große Anzahl von Luftblasen von dem erweichenden Glaspulver eingeschlossen werden, was zu einem porösen Mantel führt, ist es ratsam, das Einfüllen des zu verpressenden Glases unter Vakuum vorzunehmen, bzw. nach dem Einfüllen des zu verpressenden Glaspulvers den Preßraum selbst, oder den die Vorrichtung umschließenden Behälter, zu evakuieren. Dieser Zustand ist auch während des anschließenden Preßvorgangs beizubehalten. Durch diese Maßnahme ist bei erhöhter Temperatur eine Oxidation oder ein Abbrand gefährdeter Teile, wie der Auskleidung des hohlen Doms, die zum Beispiel aus Graphit bestehen kann, aber auch nicht oxidationsbeständiger Fasern, ausgeschlossen.In order to avoid the processing of a glass blank, which is associated with additional effort, this can be too Compressing glass can also be filled into the pressing chamber as a powder, coarse frit or the like. However, since during the subsequent heating, a large number of air bubbles are trapped by the softening glass powder which leads to a porous shell, it is advisable to fill in the one to be grouted Make the glass under vacuum, or after the filling of the glass powder to be pressed, the press room itself, or to evacuate the container surrounding the device. This state is also during to maintain the subsequent pressing process. This measure is at an elevated temperature Oxidation or burn-off of endangered parts, such as the lining of the hollow dome, which are made, for example Graphite can exist, but also non-oxidation-resistant fibers are excluded.

Da das Imprägnieren des Faserbündels mit Glas und das Einfüllen des zu verpressenden Glases in den Preßraum zwei vollkommen getrennte Vorgänge sind, ist es ohne weiteres möglich, hierfür zwei Werkstoffe zu wählen, die sich hinsichtlich ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Einschränkend ist lediglich zu bemerken, daß natürlich beide Materialien bei der Formgebung fließfähig sein müssen. Gegenüber dem zu verpressenden Glas ist in diesem Zusammenhang für das zum Imprägnieren der Fasern verwendete Glas eine niedrigere Erweichungstemperatur von Vorteil, woraus sich eine verbesserte Fließfähigkeit zwischen den Fasern und eine damit einhergehende geringere Zugkraft ergeben.Since the impregnation of the fiber bundle with glass and the filling of the glass to be pressed into the press room are two completely separate processes, it is easily possible to choose two materials for this, which differ in terms of their composition. The only limitation to be noted is that of course, both materials must be flowable when shaping. Opposite the glass to be pressed is in this context a lower softening temperature for the glass used to impregnate the fibers beneficial, resulting in improved flowability between the fibers and thus a associated lower tensile force result.

Das Aufheizen des Rezipienten (1) auf die Formgebungstemperatur, und damit verbunden das Aufheizen des zu verpressenden Glases (8) und des mit Glaspulver imprägnierten Faserbündels (7), kann sowohl durch eine Widerstandsheizung als auch durch eine hochfrequente Induktionsspule geschehen, wobei die Aufrechterhaltung eines Vakuums während der Aufheizphase nicht unbedingt erforderlich ist, wenn ein gelochter Rohling als zu verpressendes Glas (8) verwendet wird. Es besteht vielmehr die Möglichkeit, zur Vermeidung von Oxidation bzw. Verbrennung in den Behälter (9) ein Schutzgas, zum Beispie! Argon, einzuleiten. Will man auf einen Behälter (9) wegen der Unzugänglichkeit der übrigen Teile der Vorrichtung ganz verzichten, kann auch lediglich der hohle Dorn (4) mit Schutzgas gespült werden. Das Inertgas tritt dabei aus der Spitze (5) des hohlen Doms (4) aus und schützt damit gleichfalls das Innere des Rezipienten (1) weitgehend vor einer Oxidation, unter anderem das aus der Spitze (5) des hohlen Doms (4) herausragende Faserbündel (7). Mit dem Erreichen der Formgebungstemperatur und nach dem Verschieben des hohlen Preßstempels (2) in Richtung der Matrize (3) beginnt das Formgebungsverfahren. Die Spitze (5) des hohlen Dorns (4) wird dabei von dem zu verpressenden Glas (8), das den Preßraum vollständig ausfüllt, gasdichte umschlossen, wodurch ein Durchströmen mit Schutzgas unterbunden ist Nun kann jedoch, um die faserverstärkte Kernzone des herzustellenden Verbundkörpers möglichst porenfrei zu erhalten, mit Hilfe einer Vakuumpumpe das Innere des hohlen Doms (4) evakuiert werden.The heating of the recipient (1) to the molding temperature, and the associated heating of the glass to be pressed (8) and the fiber bundle (7) impregnated with glass powder, can both by a Resistance heating as well as being done by a high frequency induction coil, maintaining that a vacuum during the heating phase is not absolutely necessary if a perforated blank is used as the glass to be pressed (8). Rather, there is the possibility of avoiding oxidation or combustion in the container (9) a protective gas, for example! Argon. Do you want one Because of the inaccessibility of the remaining parts of the device, the container (9) can also only be dispensed with the hollow mandrel (4) can be purged with protective gas. The inert gas emerges from the tip (5) of the hollow Doms (4) and thus also protects the interior of the recipient (1) largely from oxidation, under among other things, the fiber bundle (7) protruding from the tip (5) of the hollow dome (4). Upon reaching the Forming temperature and after moving the hollow ram (2) in the direction of the die (3) the shaping process begins. The tip (5) of the hollow mandrel (4) is thereby of the to be pressed Glass (8), which completely fills the press chamber, is enclosed in a gas-tight manner, which means that protective gas can flow through it is now prevented, however, around the fiber-reinforced core zone of the composite body to be produced To get as pore-free as possible, evacuated the interior of the hollow dome (4) with the help of a vacuum pump will.

Die durch die Erfindung erreichbaren Vorteile sind darin zu sehen, daß zum ersten Mal ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen bzw. quasikontinuierlichen Einbetten von hochfesten und/oder hochmodulen Faserbündeln in eine Glasmatrix zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes zur Verfugung steht. Die gefertigten Halbzeuge weisen dabei eine unidirektional mit kontinuierlichen Fasern verstärkte Kernzone auf, die von einer Mantelzone aus unverstärktem Glas teilweise oder vollständig umschlossen ist. Als Matrix- und Mantelwerkstoff werden sowohl anorganische Gläser verwendet als auch Gläser, die in eine Glaskeramik überführt werden können. Die Länge der erzeugten Verbundkörper ist lediglich durch das im Preßraum vorhandene zu verpressende Glas und die Länge des mit Glaspulver imprägnierten Faserbündels eingeschränkt. Das Faserbündel wird durch den Aufbau und die Wirkungsweise der Erfindung optimal zur Längsachse der Halbzeuge orientiert, wobei die Filamente untereinander ebenfalls ein Höchstmaß an Ausrichtung erfahren. Um die eingebetteten Fasern vor aggressiven Medien als auch, falls erforderlich, vor einem Abbrand zu schützen, müssen lediglich an den Profilenden zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, wenn die unverstärkte Mantelzone die faserverstärkte Kernzone vollständig umschließt.The advantages that can be achieved by the invention can be seen in the fact that for the first time a method and a device for the continuous or quasi-continuous embedding of high strength and / or high modules Fiber bundles in a glass matrix for the production of a composite material is available. The finished semi-finished products have a core zone reinforced unidirectionally with continuous fibers which is partially or completely enclosed by a cladding zone made of unreinforced glass. As a matrix and cladding material, both inorganic glasses are used and glasses that are in a glass ceramic can be transferred. The length of the composite body produced is only determined by what is present in the press space The glass to be pressed and the length of the fiber bundle impregnated with glass powder are restricted. The fiber bundle is optimally to the longitudinal axis of the through the structure and the mode of operation of the invention Semi-finished products are oriented, with the filaments also experiencing a high degree of alignment with one another. To protect the embedded fibers from aggressive media and, if necessary, from burn-off, only have to take additional measures at the profile ends if the unreinforced Jacket zone completely encloses the fiber-reinforced core zone.

Selbstverständlich sind die faserverstärkten Halbzeuge nicht an die ihnen durch das Formgebungsverfahren aufgeprägte gerade Stangen- oder Profilform gebunden. Sie können vielmehr vor dem eventuell vorgesehenen Überführen in eine Glaskeramik durch Erhitzen abermals erweicht werden, wobei die Verbundkörper eine eingeschränkte Formbarkeit wiedererlangen. So sind die Herstellung von Gefäßauskleidungen oder die Umwicklung von Behältern denkbar. Durch geeignete Auswahl der Verbundkomponenten können eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit und Thermoschockunempfindlichkeit, aber auch höhere Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften erzielt werden.Of course, the fiber-reinforced semi-finished products are not adapted to them through the molding process Embossed straight bar or profile shape bound. You can rather be ahead of the eventual intended Converting into a glass ceramic by heating again to be softened, whereby the composite body regain limited malleability. So are the manufacture of vessel linings or the Wrapping of containers conceivable. By suitable selection of the composite components, an increased Oxidation resistance and thermal shock resistance, but also higher strength and toughness properties be achieved.

Weiterhin besteht die Möglichkeit für das zum Imprägnieren der Fasern verwendete Glas und das zu verpressende Glas unterschiedliche Materialien zu wählen, so daß nach einem geeigneten Wärmebehandlungsverfahren eine keramisierte faserverstärkte Kernzone denkbar ist, die von einer Mantelzone umgeben ist, die sich nach wie vor im glasförmigen Zustand befindet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die gegenüber konventionellen Formgebungsverfahren, zum Beispiel Heißpressen, vergleichweise niedrig liegende Verarbeitungstemperaturen und der damit einhergehenden höheren Zähigkeit der Glasschmelze die Wirkung der kantenverrundenden Oberflächenspannungen weitgehend unterbunden ist, so daß die Konturen der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Halbzeuge beliebig insbesondere scharfkantig profiliert sein können. Gleichzeitig wird bei der Verarbeitung von Gläsern, die zur Entglasung neigen, bzw. für eine nachträgliehe Umwandlung in eine Glaskeramik vorgesehen sind, eine vorzeitige Keramisierung vermieden.There is also the option of the glass used to impregnate the fibers and the glass to be pressed Glass to choose different materials, so that after a suitable heat treatment process a ceramized fiber-reinforced core zone is conceivable, which is surrounded by a jacket zone which is still in the glassy state. Another advantage is that the opposite conventional shaping processes, for example hot pressing, relatively low processing temperatures and the associated higher toughness of the glass melt, the effect of the edge-rounding Surface tension is largely prevented, so that the contours of the Semi-finished products produced according to the method according to the invention can be profiled as desired, in particular with sharp edges. At the same time, when processing glasses that tend to devitrify, or for a subsequent Conversion into a glass ceramic are provided, avoiding premature ceramization.

Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung ist in F i g. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment for carrying out the method according to the invention and the associated device is in Fig. 1 and is described in more detail below.

Zur Durchführung des erfindungsmäßigen Verfahrens kann zwar jedes anorganische Glas benutzt werden, jedoch hat sich zur Herstellung faserverstärkter Glasverbunde ein Borosilikatglas (Hauptbestandteile in Gewichtsprozent: 81% SiO₂, 13% B₂O₃, 4% (Na₂O, K₂O), 2%A1₂O₃)) als besonders geeignet erwiesen, dessen wesentliche Merkmale eine hohe Einsatztemperatur, gute Temperaturwechselbeständigkeit, hohe chemi-Any inorganic glass can be used to carry out the process according to the invention, but a borosilicate glass (main components in percent by weight: 81% SiO ₂ , 13% B ₂ O ₃ , 4% (Na ₂ O, K ₂ O) , 2% A1 ₂ O ₃ )) has proven to be particularly suitable, the essential characteristics of which are a high operating temperature, good thermal shock resistance, high chemical

sehe Resistenz und hohe Verschleißfestigkeit sind.see resistance and high wear resistance are.

Der niedrige AusdehnungskoeffizientThe low coefficient of expansion

(ä = 3,25 ■ 10-^b K-') erlaubt, vor allem im Hinblick auf die physikalische Verträglichkeit der Verbundkomponenten, eine ausgezeichnete Anpassung an das Ausdehnungsverhalten der Fasern. So können die Spannungen im Verbundkörper bei thermischer Belastung weitgehend begrenzt werden.(ä = 3.25 ■ 10- ^b K- ') allows, especially with regard to the physical compatibility of the composite components, an excellent adaptation to the expansion behavior of the fibers. In this way, the stresses in the composite body can be largely limited in the event of thermal loading.

Weitere physikalische Eigenschaften sind: Transformationstemperatur = 530° C, Erweichungstemperatur = 815° C und Verarbeitungstemperatur = 1265° C, Dichte = 2,23 g/cm³.Further physical properties are: transformation temperature = 530 ° C, softening temperature = 815 ° C and processing temperature = 1265 ° C, density = 2.23 g / cm ³ .

Obgleich jede Faser mit den entsprechenden Eigenschaften für das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung geeignet ist, wurden bisher Fasern aus reinem SiC bevorzugt verwendet.Although each fiber with the appropriate properties for the inventive method and associated device is suitable, so far fibers made of pure SiC preferably used.

SiC-Fasern sind in Normalatmosphäre bis 1200°C beständig. Diese Eigenschaft macht sie für die Herstellung faserverstärkter Gläser und Glaskeramiken interessant, die als Konstruktionswerkstoff um oder oberhalb 1000° C zum Einsatz kommen sollen. Die gute chemische Beständigkeit und der geringe Ausdehnungskoeffizient(ar=3,l · 10~⁶ K^-1) lassen auf eine ausgezeichnete chemische und physikalische Verträglichkeit mit dem verwendeten Matrixwerkstoff schließen. Weitere kennzeichnende Eigenschaften sind: Faserdurchmesser (10-=-15) μπι, Dichte 2,55 g/cm³, Zugfestigkeit (2450-=-2940) N/mm², E-Modul( 176-=-196) · 10³ N/mm².SiC fibers are resistant up to 1200 ° C in a normal atmosphere. This property makes them interesting for the production of fiber-reinforced glasses and glass ceramics, which are to be used as construction materials around or above 1000 ° C. The good chemical resistance and the low expansion coefficient (ar = 3, l · 10 ~ ⁶ K ^-1 ) indicate excellent chemical and physical compatibility with the matrix material used. Further characteristic properties are: fiber diameter (10 - = - 15) μπι, density 2.55 g / cm ³ , tensile strength (2450 - = - 2940) N / mm ² , modulus of elasticity (176 - = - 196) · 10 ³ N / mm ² .

Im Anlieferungszustand sind die Fasern als Endlosfaserstrang, bestehend aus 500 Einzelfasern auf Rollen aus Karton aufgewickelt und zum Schutz und zur besseren Handhabung mit einer Schlichte versehen. Da sich die Schlichte bei der Fasereinbettung im Glas negativ auf die Güte des Verbunds auswirkt, sie behindert das Eindringen des Glaspulvers zwischen die Filamente, muß sie durch Eintauchen in ein Lösungsmittel entfernt oder mittels einer Bunsenbrennerflamme abgebrannt werden. Bei einer Temperatur von ca. 600° C lösen sich die Einzelfilamente voneinander. Die so vorbereiteten Fasern werden nun auf eine geeignete Länge zugeschnitten und zu einem Faserbündel, das aus einer größeren Anzahl von Fasersträngen besteht, zusammengefaßt.In the delivery condition, the fibers are made as a continuous fiber strand, consisting of 500 individual fibers on rolls Cardboard wrapped up and given a size for protection and better handling. Since the When embedding fibers in the glass, sizing has a negative effect on the quality of the composite, it hinders penetration of the glass powder between the filaments, it must be removed or immersed in a solvent be burned down by means of a Bunsen burner flame. The dissolve at a temperature of approx. 600 ° C Single filaments from each other. The fibers prepared in this way are then cut to a suitable length and combined to form a fiber bundle which consists of a large number of fiber strands.

Zum Imprägnieren des Faserbündels mit Glas hat sich bisher als einfachste und wirtschaftlichste Methode die Suspension (Slurry-) Technik durchgesetzt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine modizierte Form dieser Methode gewählt, wobei trotz dieser Vereinfachung eine gute Infiltration des Faserbündels mit Glaspulver gewährleistet istTo impregnate the fiber bundle with glass, the simplest and most economical method has so far been Suspension (slurry) technology prevailed. To carry out the method according to the invention, a Modified form of this method was chosen, with good infiltration of the fiber bundle despite this simplification with glass powder is guaranteed

Die Suspension besteht aus Glaspulver (Korngrößenverteilung: 99% <40 μπι, 50% <8 μπι) und Isopropylalkohol als Lösungsmittel. Auf ein Bindemittel wurde verzichtet Zur Durchmengung des Suspension wird diese in einem Behältnis auf die Siedetemperatur des Alkohols erhitzt, so daß Dampfblasen vom Boden des Gefäßes aufsteigen und das Glaspulver gleichmäßig verteilen. The suspension consists of glass powder (grain size distribution: 99% <40 μπι, 50% <8 μπι) and isopropyl alcohol as a solvent. On a binder was made omitted To mix the suspension, it is brought to the boiling point of the alcohol in a container heated so that vapor bubbles rise from the bottom of the vessel and distribute the glass powder evenly.

Um beispielsweise ein Faserbündel, das aus 15 000 Einzelfasern besteht, mit ca. 50 Vol.-% Glaspulver zu imprägnieren, wird das Faserbündel etwa 45 Sekunden in eine kochende Suspension getaucht, in der sich 13Gew.-% Glaspulver befinden. Die Zusammensetzung der Suspension kann natürlich je nach gewünschtem Faservolumenanteil der Verbünde und der Verweilzeit der Faserbündel in der Suspension variiert werden.For example, to add a fiber bundle consisting of 15,000 individual fibers with approx. 50% by volume of glass powder impregnate, the fiber bundle is immersed in a boiling suspension for about 45 seconds 13% by weight of glass powder are located. The composition of the suspension can of course depending on the desired Fiber volume fraction of the composites and the residence time of the fiber bundles in the suspension can be varied.

Das getränkte Faserbündel wird nach dem Verdampfen des Lösungsmittels, das mittels einer Wärmequelle gefördert werden kann, in den entsprechend vorbereiteten hohlen Dorn (4) eingezogen. Bei vorsichtiger Handhabung des imprägnierten Faserbündels (7) ist der Verlust an Glaspulver äußerst gering. Das durch die Spitze (5) des hohlen Doms (4) reichende Ende des Faserbündels sollte dabei kein oder nur wenig Glaspulver enthalten, da das vollständig mit Glaspulver imprägnierte Faserbündel (7) soviel Raum beansprucht, daß es erst beim Erweichen des Glaspulvers nach dem Erreichen der Verarbeitungstemperatur und einer sich anschließenden Zugdruckumformung durch die Spitze (5) des hohlen Doms (4) paßt, was somit gleichzeitig ein Eindringen des zu verpressenden Glases (8) in den hohlen Dorn (4) verhindert.
Wird nun der hohle Dorn (4), in den das imprägnierte Faserbündel (7) eingezogen ist, dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen, unter der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, so besteht zum Beispie! die Möglichkeit, einen Stab mit kreisförmigem Querschnitt herzustellen, der konzentrisch mit einer faserverstärkten kreisförmigen Kernzone versehen ist.The soaked fiber bundle is drawn into the appropriately prepared hollow mandrel (4) after the solvent has evaporated, which can be conveyed by means of a heat source. If the impregnated fiber bundle (7) is handled carefully, the loss of glass powder is extremely low. The end of the fiber bundle reaching through the tip (5) of the hollow dome (4) should contain little or no glass powder, since the fiber bundle (7), which is completely impregnated with glass powder, takes up so much space that it only softens after the glass powder has been reached the processing temperature and a subsequent tensile pressure deformation through the tip (5) of the hollow dome (4), which at the same time prevents the glass to be pressed (8) from penetrating into the hollow mandrel (4).
If the hollow mandrel (4) into which the impregnated fiber bundle (7) is drawn is subjected to the method according to the invention, using the device according to the invention, there is for example! the possibility of producing a rod with a circular cross-section, which is provided concentrically with a fiber-reinforced circular core zone.

Dazu wird in den Rezipienten (9) das zu verpressende Glas (8) eingelegt, welches aus einem zylindrischen Rohling besteht, in den mittels eines Diamant-Kronenhohlbohrers konzentrisch über seine gesamte Länge ein durchgehendes Loch gebohrt wurde, das etwa größer gewählt wird als der Außendurchmesser des hohlen Dorns (4). Der hohle Dorn (4), in den das imprägnierte Faserbündel (7) eingezogen ist, wird nun, axial geführt vom Preßstempel (2), durch die Bohrung des Glasrohlings mit seiner Spitze (5) bis kurz vor die Matrize (3) gebracht, die in Preßrichtung den Abschluß des Preßraums bildet.For this purpose, the glass (8) to be pressed, which is made from a cylindrical blank, is placed in the recipient (9) consists, in which a diamond core drill bit concentrically over its entire length through hole was drilled, which is chosen to be larger than the outer diameter of the hollow Dorns (4). The hollow mandrel (4) into which the impregnated The fiber bundle (7) is drawn in, is now guided axially by the ram (2) through the bore of the glass blank brought with its tip (5) to just before the die (3), which in the pressing direction the end of the press space forms.

Eine ungewollte axiale Bewegung des hohlen Dorns (4), dessen Spitze (5) und Auskleidung (6) aus Graphit bestehen, wird durch eine Halterung (10), die an dem hohlen Dorn (4) entweder unlösbar oder lösbar befestigt ist, mit dem Rezipienten (1) fest verbunden, was durch eine Verschraubung, eine Klemmung oder dergleichen möglich ist.Unintentional axial movement of the hollow mandrel (4), its tip (5) and lining (6) made of graphite exist, is by a holder (10) which is attached to the hollow mandrel (4) either non-detachably or detachably is firmly connected to the recipient (1), which is achieved by screwing, clamping or the like is possible.

Während nun eine Widerstandsheizung den Rezipienten (1) auf die Verarbeitungstemperatur aufheizt, strömt in das Innere des hohlen Dorns (4) ein Schutzgas, das an der Spitze (5) des hohlen Dorns (4) austritt und somit auch in den Preßraum des Rezipienten (1) gelangt.While a resistance heater is now heating the recipient (1) to the processing temperature, it flows a protective gas into the interior of the hollow mandrel (4) which exits at the tip (5) of the hollow mandrel (4) and thus also enters the press chamber of the recipient (1).

Nach dem Erreichen der Verarbeitungstemperatur kann der zürn Formgebungsverfahren notwendige Preßdruck durch Verschieben des hohlen Preßstempels (2) in Richtung der Matrize (3) erzeugt werden. Durch den eingeleiteten Preßdruck wird der bis in die MatrizeAfter the processing temperature has been reached, the molding process can be used Compression pressure can be generated by moving the hollow ram (2) in the direction of the die (3). By the applied pressure is down to the die

(3) hineinragende Faserstrang (7) von dem zu verpressenden Gas (8) fest umschlossen, nochverdichtet und mit diesem durch den Kanal der Matrize (3) gepreßt.(3) protruding fiber strand (7) firmly enclosed by the gas (8) to be compressed, further compressed and with this pressed through the channel of the die (3).

Eine mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Probe hatte zum Beispiel einen Außendurchmesser von ca. 4 mm und eine verstärkte Kernzone von ungefähr 2,5 mm Durchmesser. Der Preßdruck betrug 300 bar und die Verarbeitungstemperatur 796⁵C.A sample produced by means of the device according to the invention using the method according to the invention had, for example, an outside diameter of approximately 4 mm and a reinforced core zone of approximately 2.5 mm in diameter. The pressure was 300 bar and the processing temperature was 796 ⁵ C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for the production of fiber-reinforced rods or profiles from inorganic glasses or from glasses that can be converted into a glass ceramic, whose core zone is unidirectional continuous fiber is reinforced by the application of a combined pull-through and Extrusion process, in which fiber bundles are impregnated with glass, the glass to be pressed and the glass placed between the fibers softens before shaping and under heat and pressure is brought into the final form, thereby marked that