DE4102909A1 - WORKPIECES MADE OF FIBER REINFORCED CERAMIC - Google Patents

WORKPIECES MADE OF FIBER REINFORCED CERAMIC

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Werkstücke aus faserverstärkter Keramik, beste­ hend aus mindestens zwei aneinandergelegten und mit Matrixmaterial umgebe­ nen Fasergelegen aus keramischem Material sowie auf ein Verfahren zur Herstel­ lung solcher Werkstücke.The invention relates to workpieces made of fiber-reinforced ceramic, best hend from at least two put together and surrounded with matrix material fiber fabric made of ceramic material and a manufacturing process development of such workpieces.

Werkstücke dieser Art werden insbesondere in mit hohen Temperaturen verbun­ denen Anwendungen eingesetzt. Bisher wurden derartige faserverstärkte Kera­ mikbauteile aus Fasergelegen einer Webart oder Ablageart (Struktur) aus einem Fasermaterial aufeinandergestapelt und mit SiC-Matrix imprägniert. Dabei wer­ den Strukturen, wie z. B. Leinwand-, Atlas- bzw. Satingewebe oder auch nur uni­ direktional ausgelegte Fasern zur Stapelung verwendet bei Fasermaterialien aus Kohlenstoff- oder SiC-Fasern. Mit der Wahl der Faserstruktur werden für eine ge­ gebene stoffliche Kombination von Fasern und Matrix die mechanischen Eigen­ schaften des Werkstückes bestimmt.Workpieces of this type are bonded in particular at high temperatures which applications are used. So far, such fiber-reinforced Kera Microfabricated parts made from a woven fabric or type of storage (structure) from one Fiber material stacked on top of each other and impregnated with SiC matrix. Here who the structures such as B. canvas, satin or satin fabric or just plain Directionally designed fibers for stacking used in fiber materials Carbon or SiC fibers. With the choice of fiber structure for a ge given material combination of fibers and matrix the mechanical properties properties of the workpiece.

Durch die Verwendung eines bestimmten Gewebetyps oder Wickellagenauf­ baues gemäß dem Stand der Technik werden die Eigenschaften des Bauteiles (Zugfestigkeit, Druckfestigkeit, Steifigkeit und ihre Richtungsabhängigkeiten) in engen Grenzen festgelegt. Es hat sich folglich herausgestellt, daß derartige Bau­ teile vielen Anwendungen mit komplexen Anforderungen, z. B. als Leichtbau­ werkstück mit lasttragender Funktion nicht genügen.By using a certain type of fabric or wrapping layers Construction according to the state of the art, the properties of the component (Tensile strength, compressive strength, rigidity and their directional dependencies) in set narrow limits. It has thus been found that such construction share many applications with complex requirements, e.g. B. as a lightweight construction workpiece with load-bearing function is not sufficient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstücke der eingangs genannten Art zu entwickeln, die mit breiter Eigenschaftspalette realisierbar sind.The invention has for its object workpieces of the aforementioned Way to develop that can be realized with a wide range of properties.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.The object is achieved with the features of claim 1.

Die erfindungsgemäßen Faserverbundkeramiken zeichnen sich dadurch aus, daß sie aus unterschiedlichen Faserstrukturen aufgebaut und als Ganzes mit einer Keramikmatrix imprägniert sind. The fiber composite ceramics according to the invention are characterized in that they are made up of different fiber structures and as a whole with one Ceramic matrix are impregnated.  

Durch Strukturierung und Kombination von unterschiedlichen Fasergelegen wer­ den die Eigenschaften gegenüber Verbundwerkstoffen aus gleichartig gestapel­ ten, mit SiC-Matrix imprägnierten Fasergelegen mit einheitlichem, gleichförmi­ gem Strukturtyp verbessert bzw. auf ein größeres Anwendungsgebiet erweitert. Ein weiterer Vorteil der Anwendung unterschiedlicher Faserstrukturen innerhalb eines Keramikbauteiles liegt in der erheblich vergrößerten konstruktiven Gestal­ tungsfreiheit für das Bauteil. Dadurch können die Eigenschaften eines Bauteiles aus faserverstärkter Keramik in optimaler Weise an die gestellten Anforderungen angepaßt werden. Beispielsweise wird durch die Kombination dichter Gewebe­ flächen mit voluminösen, aber weitmaschigen Faserstrukturen ein ausgewoge­ nes Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit bei minimiertem Gewicht ermög­ licht. Die Erfindung dient somit zur Verbesserung der Eigenschaften faserver­ stärkter Keramik, insbesondere für Anwendungen in Leichtbautechniken.By structuring and combining different fiber fabrics The properties compared to composite materials are stacked in the same way fiber impregnated with SiC matrix with uniform, uniform improved according to structure type or expanded to a larger area of application. Another advantage of using different fiber structures within of a ceramic component lies in the considerably enlarged structural shape freedom for the component. This allows the properties of a component Made of fiber-reinforced ceramic in an optimal way to meet the requirements be adjusted. For example, by combining dense tissue areas with voluminous but wide-meshed fiber structures a balanced ratio of strength and rigidity with minimized weight light. The invention thus serves to improve the properties of fiber stronger ceramics, especially for applications in lightweight construction techniques.

Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken, das durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 2 gekennzeichnet ist.The invention extends to a method for producing workpieces, which is characterized by the measures according to claim 2.

Die Faserstrukturen können je nach beabsichtigter Verwendung eine Kombina­ tion aus Leinwand-, Atlasgewebe, aus polarem Gewebe oder nicht gewebten Strukturen oder Gelegen mit unorientierten Fasern (Filze) oder orientierten Fasern (z. B. Wickelstrukturen oder UD-Laminate) bestehen. Die einzelnen Struk­ turelemente (Fasergelege) können unterschiedliche Flächendichten besitzen und aus unterschiedlichen Fasermaterialien bestehen (Kohlenstoff, Siliciumcarbid, Siliciumcarbonitrid, Aluminiumoxid, Mullit). Die Auswahl und die Anordnung der jeweiligen Faserstrukturen hängen von den Anforderungen bei der beabsichtig­ ten Verwendung oder Funktion ab (Gasdichtigkeit, Festigkeit).Depending on the intended use, the fiber structures can be a combination tion of canvas, satin, polar or non-woven Structures or fabrics with unoriented fibers (felts) or oriented Fibers (e.g. winding structures or UD laminates) exist. The individual structure Tur elements (fiber fabrics) can have different surface densities and consist of different fiber materials (carbon, silicon carbide, Silicon carbonitride, aluminum oxide, mullite). The selection and arrangement of the respective fiber structures depend on the requirements at the intended Use or function (gas tightness, strength).

Die Faserstrukturverbunde können nicht nur in einer Dimension in Sandwich­ struktur gelegt sein, sondern auch lateral in den beiden anderen Dimensionen strukturiert sein.The fiber structure composites can not only in one dimension in sandwich structure, but also laterally in the other two dimensions be structured.

Für den Aufbau der keramischen Matrix eignen sich erfindungsgemäß Imprägnierverfahren unter Anwendung einer fluiden Phase. Die Gasphaseninfiltration und/oder die Imprägnierung von flüssigen Stoffen, rein oder in Lösung, die als Vorstufen für eine keramische Matrix dienen können, sind bevorzugte Metho­ den. Impregnation processes are suitable according to the invention for the construction of the ceramic matrix using a fluid phase. The gas phase infiltration and / or the impregnation of liquid substances, pure or in solution, which as Precursors for a ceramic matrix can be preferred metho the.  

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Faserstrukturver­ bund in einer Vorstufe zur Fixierung der Fasern mit einem Polymermaterial als reiner flüssiger Stoff oder in Lösung getränkt, das durch nachfolgende thermi­ sche Behandlung gehärtet und danach pyrolysiert wird. Die Menge des eingetra­ genen Polymermaterials wird so gewählt, daß die Faserstränge überbrückt, aber die Porenräume in den Faserbündeln und zwischen den Strängen nicht völlig ver­ schlossen werden. Es entsteht dadurch eine feste Verbindung der Faserstruktur­ elemente, ohne daß die nachfolgende Imprägnierung mit dem Matrixmaterial nennenswert behindert wird. Als Kontrollgröße hierfür hat sich die Bestimmung des Druckabfalles bei Gasdurchströmung bewährt.According to a further embodiment of the invention, the fiber structure is bund in a preliminary stage for fixing the fibers with a polymer material as pure liquid substance or soaked in solution, which by subsequent thermi hardened treatment and then pyrolyzed. The amount of entered gene polymer material is chosen so that the fiber strands bridges, however do not completely verify the pore spaces in the fiber bundles and between the strands be closed. This creates a firm connection between the fiber structure elements without the subsequent impregnation with the matrix material is significantly impaired. The determination has become the control parameter for this the pressure drop with gas flow proven.

Die Erfindung wird an Hand eines in Fig. 1 dargestellten einfachen quaderförmi­ gen Bauteiles bzw. Werkstückes 10 näher beschrieben. Das Werkstück 10 besteht, wie in den beiden Querschnittsflächen 11 und 12 gezeigt, aus unterschiedlichen Strukturen. Diese Strukturen bestehen zunächst aus in z-Richtung gestapelten unterschiedlichen Faserlagen 13 bis 17. Dabei ziehen sich die beiden äußeren La­ gen 13, 17 und die mittlere Lage 15 über die gesamte Fläche durch, während die Zwischenlage 14 in y-Richtung drei Strukturen 14a bis c und die Zwischenlage 16 in x-Richtung zwei Strukturen 16a, 16b aufweist.The invention is described in more detail with reference to a simple quaderörmi gene component or workpiece 10 shown in FIG. 1. As shown in the two cross-sectional areas 11 and 12 , the workpiece 10 consists of different structures. These structures initially consist of different fiber layers 13 to 17 stacked in the z direction. The two outer layers 13 , 17 and the middle layer 15 extend through the entire surface, while the intermediate layer 14 in the y direction has three structures 14 a to c and the intermediate layer 16 in the x direction has two structures 16 a, 16 b has.

Die unterschiedlichen Strukturen zeichnen sich durch die Art der Bindung der Fa­ sern aus. So können beispielsweise die durchgehenden Lagen 13, 15, 17 Gewebe unterschiedlichen oder gleichen Typs (Leinwand, Atlas etc.), das Fasergelege 14a ein Filz sein, die Gelege 14b und 16b aus UD-Faserlagen unterschiedlicher Orien­ tierung (x- bzw. y-Richtung) bestehen und die beiden Fasergelege 16a und 14c können Faserwolle unterschiedlicher Dichte sein.The different structures are characterized by the type of binding of the fibers. For example, the continuous layers 13 , 15 , 17 fabrics of different or the same type (canvas, atlas etc.), the fiber fabric 14 a can be a felt, the fabrics 14 b and 16 b made of UD fiber layers of different orientations (x or . y direction) exist and the two fiber fabrics 16 a and 14 c can be fiber wool of different densities.

Weitere Veränderungsparameter sind das Fasermaterial das Matrixmaterial so­ wie die Dichte bzw. Porosität eines Geleges. Diese lassen sich ebenso beliebig kombinieren. Die Wahl sowohl der Fasergelegestruktur, deren Verteilung als auch der Materialien richtet sich jeweils nach dem spezifischen Anwendungsfall.Further change parameters are the fiber material and the matrix material like the density or porosity of a clutch. These can also be used arbitrarily combine. The choice of both the fiber structure, their distribution as the materials also depend on the specific application.

Jeweils eine Lage 13 bis 17 kann aus einem Fasergelege oder einem Stapel von Fa­ sergelegen bestehen. Bei der Herstellung von geometrisch unregelmäßigen Werkstücken werden die entsprechend zugeschnittenen Fasergelege vorzugswei­ se in eine Form gelegt. A layer 13 to 17 can consist of a fiber fabric or a stack of fiber fabrics. When producing geometrically irregular workpieces, the correspondingly cut fiber fabrics are preferably placed in a mold.

Nach dem Zusammenlegen der Fasergelege wird der gebildete Faserstrukturver­ bund als ganzes mit dem gewählten Matrixmaterial imprägniert und anschlie­ ßend gebrannt.After the fiber fabric has been folded together, the fiber structure formed impregnated as a whole with the selected matrix material and then Burnt to eat.

Als günstig hat sich erwiesen, wenn die Fasern innerhalb des Verbundes vor dem Imprägniervorgang mittels eines Materials fixiert werden. Dazu eignet sich insbe­ sondere ein Polymermaterial, das als reiner flüssiger Stoff oder in Lösung in den Verbund eingetragen und durch nachfolgende thermische Behandlung gehärtet und schließlich pyrolysiert wird.It has proven to be advantageous if the fibers within the composite before Impregnation process can be fixed using a material. This is particularly suitable special a polymer material, which as a pure liquid substance or in solution in the Compound entered and hardened by subsequent thermal treatment and finally pyrolyzed.

Welche Art von Polymer für die Fixierung des Faserkörpers verwendet wird, hängt von den Bedingungen ab, unter denen das resultierende Bauteil verwen­ det werden soll. Für Anwendungen mit einer Betriebstemperatur unterhalb etwa 400°C sind organische Harze wie z. B. Epoxid-, Phenol-, Imidharze oder Thermo­ plaste verwendbar. Sie werden durch thermische Behandlung in amorphen Koh­ lenstoff überführt, der die Strukturverfestigung bewirkt. Für Einsatztemperatu­ ren oberhalb etwa 400°C an Luft wird in derselben Weise ein siliciumhaltiges Polymer aus den Verbindungsklassen Polycarbosilan, Polysilazan oder Polysiloxan verwendet, da daraus durch die thermische Behandlung ein zwar amorphes, aber oxidationsbeständiges Produkt - i. w. aus SiC - entsteht. Um die für ein ausgewo­ genes Verhältnis von Verfestigung und verbleibender Porosität optimale Menge an eingetragener Matrix einzustellen, kann das Polymer in einem aprotischen Lö­ sungsmittel, wie Hexan, gelöst verwendet werden.What type of polymer is used to fix the fiber body depends on the conditions under which the resulting component is used should be det. For applications with an operating temperature below approximately 400 ° C are organic resins such as B. epoxy, phenol, imide or thermo plastic can be used. They are thermally treated in amorphous Koh transferred lenstoff, which causes the structural consolidation. For operating temperature Ren above about 400 ° C in air in the same way a silicon-containing Polymer from the compound classes polycarbosilane, polysilazane or polysiloxane used, because from the thermal treatment an amorphous, but oxidation resistant product - i. w. from SiC - arises. In order for a balanced ratio of solidification and remaining porosity optimal amount adjust the matrix, the polymer can in an aprotic Lö solvents such as hexane can be used in solution.

Die durch die Vorimprägnierung und thermische Behandlung im Verbund fixierte Faserstruktur wird durch chemische Gasphaseninfiltration (CVl) mit der Matrix gefüllt. Insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3) aus Aluminiumchlorid (AlCl3) und Kohlendioxid (CO2) im Wasserstoffstrom, Siliciumcarbid (SiC) aus Trichlormethylsi­ lan (CH3-SiCl3) im H2-Strom und Siliciumnitrid (Si3 N4) aus Siliciumfluorid (SiF4) und Ammoniak (NH3) sind mit diesem Verfahren vorteilhaft als Matrix in die Faser­ struktur einzubringen. Mit dichteren Faserstrukturen, wie sie z. B. zum Erzielen dichter Oberflächen günstig sind, wurden die besten Ergebnisse mit dem Gradi­ entenverfahren (beschrieben in: W.V. Kotlenski "A Review of CVD Carbon Infil­ tration of Porous Substrates", 16th Natl. SAMPE Conf., 1971, S.257 ff) erzielt, das auf einer kontrollierten Durchströmung des Faservorkörpers beruht. The fiber structure fixed by the pre-impregnation and thermal treatment in the composite is filled with the matrix by chemical gas phase infiltration (CVI). In particular aluminum oxide (Al 2 O 3 ) from aluminum chloride (AlCl 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ) in a hydrogen stream, silicon carbide (SiC) from trichloromethylsilane (CH 3 -SiCl 3 ) in a H 2 stream and silicon nitride (Si 3 N 4 ) Silicon fluoride (SiF 4 ) and ammonia (NH 3 ) can advantageously be introduced as a matrix into the fiber structure using this process. With denser fiber structures, such as z. B. are favorable to achieve dense surfaces, the best results were with the Gradi entenverfahren (described in: WV Kotlenski "A Review of CVD Carbon Infil tration of Porous Substrates", 16th Natl. SAMPE Conf., 1971, p.257 ff) achieved, which is based on a controlled flow through the fiber body.

Alternativ zur CVl-Methode wurde die Matrix durch Imprägnierung einer flüssi­ gen Phase und anschließende thermische Behandlung für Trocknung und Brand in die Faservorkörper eingetragen.As an alternative to the CVI method, the matrix was impregnated with a liquid phase and subsequent thermal treatment for drying and firing entered into the fibrous body.

Die für die Flüssigphasenimprägnierung verwendeten Ausgangsstoffe unter­ scheiden sich in ihrer chemischen Natur, je nach dem, welches Matrixmaterial ge­ braucht wird. Für die Erzeugung einer Matrix aus SiC wird die Imprägnierung mit einem Polysilazan durchgeführt. Eine Al2O3-Matrix wird mit dem sogenannten Sol-Gel-Prozeß aus Aluminiumtri-tertiärbutylat durch kontrollierte Hydrolyse und anschließende Trocknung und Sinterung erzeugt.The raw materials used for liquid phase impregnation differ in their chemical nature, depending on which matrix material is needed. The impregnation is carried out with a polysilazane to produce a matrix of SiC. An Al 2 O 3 matrix is produced using the so-called sol-gel process from aluminum tri-tertiary butylate by controlled hydrolysis and subsequent drying and sintering.

Für die Herstellung von Oxidmatrices, Al2O3 oder Mullit, wurde anstatt des Sol- Gel-Prozesses auch versucht, wäßrige Suspensionen hochfeiner Oxidpulver mit Korngrößen von ca. 0,1 Mikrometer in Faservorlagen zu imprägnieren. Hierbei wurde allerdings eine merkliche Anreicherung des Feststoffes in den oberflächen­ nahen Zonen festgestellt. Darüber hinaus ist kaum Matrixmaterial in die Zwi­ schenräume zwischen den Einzelfasern der Faserbündel eingedrungen. Eine Über­ brückung der Faserzwischenräume durch Matrixmaterial ist jedoch erforderlich, um die Lastübertragung in dem Verbundwerkstoff und damit seine mechanische Festigkeit zu erzielen.For the production of oxide matrices, Al 2 O 3 or mullite, instead of the sol-gel process, attempts have also been made to impregnate aqueous suspensions of very fine oxide powders with grain sizes of approximately 0.1 micrometers in fiber templates. However, a noticeable accumulation of the solid was found in the zones near the surface. In addition, hardly any matrix material has penetrated into the interstices between the individual fibers of the fiber bundle. A bridging of the fiber interstices by matrix material is required in order to achieve the load transfer in the composite material and thus its mechanical strength.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Raster- und Lichtmikroskop-Aufnahmen von nach der Erfindung hergestellten beispielhaften Materialproben. Figs. 2 to 4 show scanning and light microscopy images of manufactured according to the invention, exemplary material samples.

Fig. 2 zeigt in 15facher Vergrößerung einen Querschnitt und Fig. 3 eine Drauf­ sicht einer ersten Probe 20, die aus einem weitmaschigen Mehrlagengewebe 21 und einem dicht gestapelten Laminat 22 aus 2D-Geweben bestand, die jeweils aus SiC-Fasern, kombiniert und durch CVl mit einer SiC-Matrix infiltriert worden waren. Während die dichtere Lage 22 in dieser Verbundbauweise für die Festig­ keit sorgt, liefert das verstrebte, offene Gewebe 21 zusätzlich Steifigkeit bei nied­ rigem Gewicht. Fig. 2 shows a cross section in 15 times magnification and Fig. 3 is a plan view of a first sample 20 , which consisted of a wide-mesh multi-layer fabric 21 and a densely stacked laminate 22 of 2D fabrics, each of SiC fibers, combined and by CVl had been infiltrated with a SiC matrix. While the denser layer 22 in this composite construction ensures strength, the braced, open fabric 21 additionally provides rigidity with low weight.

Fig. 4 zeigt in 50facher Vergrößerung einen Querschnitt einer nach Beispiel 2 hergestellten Probe 30, die aus einem Stapel aus Fasergewebe in Leinen­ struktur 31 und Filzlagen 32 aus SiC-Fasern besteht. 33 bezeichnet die restliche Porosität. Fig. 4 shows in 50x magnification a cross section of a sample 30 produced according to Example 2, which consists of a stack of fiber fabric in linen structure 31 and felt layers 32 made of SiC fibers. 33 denotes the remaining porosity.

Mit den als vorteilhaft erkannten Methoden wurden Versuchsbauteile aus faser­ verstärkter Keramik hergestellt. Damit wurde das erfindungsgemaße Prinzip der Kombination verschiedener Faserkonfektionsformen in Werkstücken und die da­ mit erzielte Einstellung ihrer Eigenschaften nach der Einbringung der Matrix aus­ geführt. Nachfolgend werden solche Ausführungsbeispiele beschrieben und die optimale Anpassung der Bauteileigenschaften an die Einsatzanforderungen durch den erfindungsgemäßen Bauteilaufbau erläutert.With the methods recognized as advantageous, test components were made of fiber reinforced ceramics. The principle of the invention was thus Combination of different fiber assembly forms in workpieces and that with achieved setting of their properties after the introduction of the matrix guided. Such exemplary embodiments are described below and the optimal adaptation of the component properties to the application requirements explained by the component structure according to the invention.

Beispiel 1example 1

Ein als Strukturkomponente im Triebwerkseinlauf eines Hochgeschwindigkeits­ flugzeuges vorgesehenes Bauteil mit kastenförmiger Gestalt wurde aus kohlen­ stoffaserverstärkter SiC-Keramik mit folgendem Aufbau hergestellt:One as a structural component in the engine inlet of a high speed aircraft intended component with a box-like shape was made of coal Fiber-reinforced SiC ceramic manufactured with the following structure:

Ein auf Endform zugeschnittenes sogenanntes Abstandsgewebe aus Kohlenstoff­ fasern, das einen quaderförmigen Kasten bildete und dazu zwei innen liegende, parallel zur Längskante durchgehende Stege aufwies und in einer Mehrlagenge­ webestruktur ausgeführt war, wurde auf eine Stützstruktur aufgespannt. Darauf wurden Gewebelagen aus Kohlenstoffasern gelegt, wobei lagenweise abwech­ selnd Leinwand und Satingewebe verwendet wurden. Das Zwischenlegen von gut drapierbarem Satingewebe diente dazu, die Größe von interlaminaren Hohl­ räumen zu minimieren und eine möglichst gleichmäßige Verteilung der verblei­ benden Porosität im Verbundwerkstoff zu erzielen.A so-called carbon spacer fabric tailored to the final shape fibers, which formed a cuboid box and two inner had continuous webs parallel to the longitudinal edge and in a multi-layered web weaving structure was carried out, was clamped on a support structure. Thereon fabric layers of carbon fibers were laid, with layers varying blended with canvas and satin fabrics. The interposing of well drapable satin fabric served to size the interlaminar hollow to minimize space and to distribute the lead as evenly as possible to achieve porosity in the composite.

Die Gewebestruktur wurde mit einem siliciumhaltigen Polymer, nämlich einem Gemisch von polymeren Silazanen, das aus Methyldichlorhydrogensilan (CH3 SiHCl2) und Vinyltrichlorsilan (CH2 CHSiCl3) mit Ammoniak (NH3) als Vernet­ zungsmittel hergestellt worden war, imprägniert. Durch Aushärtung des Polymers und anschließende Pyrolyse zu SiC wurde ein kastenförmiger Faservor­ körper erhalten, in dem die Faserlagen so fest miteinander verbunden waren, daß er freitragend handhabbar war und in eine CVl-Anlage eingebaut werden konnte. Die Gasphaseninfiltration von SiC wurde im Gradientenverfahren mit Gasstrom (Methyltrichlorsilan in H2) mit einer Maximaltemperatur von 11 50°C durchgeführt.The fabric structure was impregnated with a silicon-containing polymer, namely a mixture of polymeric silazanes, which had been prepared from methyldichlorohydrogensilane (CH 3 SiHCl 2 ) and vinyltrichlorosilane (CH 2 CHSiCl 3 ) with ammonia (NH 3 ) as crosslinking agent. By curing the polymer and subsequent pyrolysis to SiC, a box-shaped fiber preform was obtained in which the fiber layers were so firmly connected that it was self-supporting and could be installed in a CVI system. The gas phase infiltration of SiC was carried out in a gradient process using a gas stream (methyltrichlorosilane in H 2 ) with a maximum temperature of 11 50 ° C.

Dieses Aufbauprinzip, verbunden mit der beschriebenen Herstellweise, führte im Ergebnis zu einem Bauteil mit einem optimalen Verhältnis von Festigkeit und Steifigkeit zu seinem Gewicht. Die für die aerodynamische Belastung erforderli­ che Bauteilfestigkeit wurde durch die dicht infiltrierten äußeren Lagen mit etwa 45 Vol% Faseranteil und die Verwindungssteifigkeit durch die Innenstege aus ei­ nem offenporigen C/SiC-Verbund mit Mehrlagengewebe mit einem durchschnitt­ lichen Faseranteil von 20 bis 25% in der Volumeneinheit erzielt.This principle of construction, combined with the manufacturing method described, resulted in Result in a component with an optimal ratio of strength and  Stiffness to his weight. The necessary for the aerodynamic load che component strength was due to the tightly infiltrated outer layers with about 45 vol% fiber content and the torsional rigidity due to the inner webs made of egg an open-pore C / SiC composite with multi-layer fabric with an average achieved fiber content of 20 to 25% in the volume unit.

Beispiel 2Example 2

SiC-Fasergewebe in Leinenstruktur, in Scheibenform geschnitten, wurden mit zwischengelegten dünnen Filzlagen aus SiC-Kurzfasern und dichten Kurzfaser­ matten als beiderseitige Decklagen gestapelt und zwischen gelochten Grafitplat­ ten unter Preßdruck in eine CVl-Anlage eingebaut. Im Gradientenverfahren wur­ de der scheibenförmige Faservorkörper mit SiC-Matrix infiltriert. In den Kurzfaserzwischen- und -decklagen wurde durch die dort herrschenden Strömungsverhältnisse bei der Gasphaseninfiltration ein wesentlich stärkeres Matrixwachstum verursacht als in den Gewebelagen, so daß hier ein deutlich hö­ heres Matrix: Faser-Verhältnis eingestellt werden konnte als in den Gewebela­ gen (siehe Fig. 4). Da durch die Pressung die Kurzfasern 32 im wesentlichen in die von den Fasersträngen der benachbarten Gewebelagen 31 nicht ausgefüllten Po­ renräume 33 gedrückt wurden, konnte eine insgesamt hohe Verdichtung bei der Infiltration erzielt werden. Das Verbundbauteil wurde nach entsprechender Bear­ beitung als Bremsscheibe erprobt. Seine Eignung für diese Anwendung ist das Er­ gebnis des gewählten Faserstrukturaufbaues und ist bestimmt durch die dadurch erzielte hohe Druck- und Scherfestigkeit in Verbindung mit der Thermoschockbe­ ständigkeit des SiC/SiC-Werkstoffes sowie seinen Reibeigenschaften.SiC fiber fabric in a linen structure, cut into a disk shape, was stacked with thin felt layers made of short SiC fibers and thick short fiber mats as cover layers on both sides and installed under pressure in perforated graphite plates in a CVI system. The disc-shaped fiber body was infiltrated with SiC matrix using the gradient method. In the short fiber intermediate and top layers, the prevailing flow conditions in gas phase infiltration caused a much stronger matrix growth than in the fabric layers, so that a significantly higher matrix: fiber ratio could be set here than in the fabric layers (see Fig. 4). Since the short fibers 32 were pressed by the pressing substantially into the non-filled spaces 33 of the fiber strands of the adjacent fabric layers 31 , an overall high compression during infiltration could be achieved. After processing, the composite component was tested as a brake disc. Its suitability for this application is the result of the selected fiber structure and is determined by the high pressure and shear strength achieved in connection with the thermal shock resistance of the SiC / SiC material and its friction properties.

Beispiel 3Example 3

Im Bandwickelverfahren wurde ein Faservorkörper in Form eines gestreckten Zy­ linders aus Al2O3-Fasern in kreuzweiser diagonaler Orientierung gegenüber der Zylinderachse hergestellt. Mit dem lagigen Gewebeaufbau wurde eine Wandstär­ ke von 2,5 mm eingestellt. Die Stabilisierung des Faservorkörpers erfolgte wie in Beispiel 1 mittels Imprägnierung eines Polysilazangemisches und seiner Pyro­ lyse zu stickstoffhaltigem SiC. Ebenfalls analog zu Beispiel 1 wurde die Gaspha­ seninfiltration von SiC-Matrix durchgeführt.In the tape winding process, a fiber preform in the form of an elongated cylinder was produced from Al 2 O 3 fibers in a crosswise diagonal orientation with respect to the cylinder axis. With the layered fabric structure, a wall thickness of 2.5 mm was set. The fiber body was stabilized as in Example 1 by impregnation of a polysilazane mixture and its pyrolysis to form nitrogen-containing SiC. The gas phase infiltration of SiC matrix was also carried out analogously to Example 1.

Beim Versuch, das so hergestellte Faserverbundkeramikrohr als Spaltrohr in einer Spaltrohrflüssigkeitspumpe zu verwenden, wurde eine unzureichende Dichtig­ keit des Materials gegenüber Flüssigkeitsdurchtritt festgestellt. In einer weiteren Ausführungsform wurden, in der gleichen Weise wie in Beispiel 2, dünne Kurzfa­ serzwischenlagen und eine Kurzfaserdecklage in das ansonsten gleichartig herge­ stellte Bauteil eingebracht. Die Wirkung der Kurzfasern lag auch hier in einer ver­ stärkten Matrixeintragung in die jeweiligen Lagen. In einem weiteren Behand­ lungsschritt wurde eine verbliebene feine Restporosität durch eine einfache Nachimprägnierung von Si-Polymer und dessen Pyrolyse zu SiC vollkommen ver­ schlossen. In einem Einsatzversuch des Rohres in einer Spaltrohrpumpe wurde die Mediendichtigkeit festgestellt.When trying to use the fiber composite ceramic tube produced in this way as a can in one Using canned liquid pumps became an inadequate seal  speed of the material compared to the passage of liquid. In another Embodiments were made in the same manner as in Example 2, thin short intermediate layers and a short fiber top layer in the otherwise similar herge provided component introduced. The effect of the short fibers was also in a ver strong matrix entry in the respective layers. In another treatment the remaining fine porosity was replaced by a simple one Post impregnation of Si polymer and its pyrolysis to SiC completely ver closed. In a test run of the pipe in a canned pump, the Media tightness determined.

Beispiel 4Example 4

Für die Herstellung einer Wellenschutzhülse zum Einsatz in einer Pumpe für kor­ rodierende und verschleißende Medien wurde ein zylinderischer Faserkörper aus SiC-Fasersträngen in diagonaler Kreuzlage zur Längsachse bis zu einer Wand­ stärke von 1,5 mm und drei Decklagen in Umfangsorientierung gewickelt. Der ge­ stützte Faserkörper wurde mittels CVl mit einer SiC-Matrix infiltriert. Auf die äußere Zylinderoberfläche wurde danach ein Gemisch aus SiC-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 0,2 Mikrometer und einem Si-Polymeren in einer Stärke von ca. 0,5 mm aufgetragen. Durch thermische Behandlung wurde daraus eine dichte Deckschicht aus SiC-gebundenem SiC gebildet, die durch Schleifen und Polieren auf die erforderliche Oberflächengüte gebracht wurde.For the production of a shaft protection sleeve for use in a pump for cor Roding and wearing media became a cylindrical fiber body SiC fiber strands diagonally crosswise to the longitudinal axis up to a wall thickness of 1.5 mm and three top layers wrapped in circumferential orientation. The ge supported The fiber body was infiltrated with a SiC matrix using CV1. On the outside The cylinder surface was then a mixture of SiC powder with a medium Grain size of 0.2 micrometers and a Si polymer with a thickness of approx. 0.5 mm applied. It became dense by thermal treatment Cover layer formed from SiC-bonded SiC by grinding and polishing was brought to the required surface quality.

Dieses Keramikverbundbauteil wies eine für den Einsatzfall optimale Eigen­ schaftskombination auf mit höchster Verschleißfestigkeit und Oberflächendichte, verbunden mit einer für keramische Bauteile bestmöglichen Bruchzähigkeit und damit Schadenstoleranz.This ceramic composite component had an optimal characteristic for the application shaft combination with maximum wear resistance and surface density, combined with the best possible fracture toughness for ceramic components and thus damage tolerance.

In entsprechender Weise, nur in Umkehrung der Schichtfolge, so daß die innere Oberfläche des zylindrischen Rohres mit der faserfreien SiC-Schicht abgedichtet war, wurde eine zylindrische Auskleidung für eine Formfüllvorrichtung (Füllbüch­ se) einer Kunststoffspritzmaschine hergestellt. Das Bauteil bewährte sich unter den komplexen Einsatzbelastungen, wie hoher Fülldruck, verschleißendes Medi­ um und Temperaturwechsel.In a corresponding way, only in reverse of the layer sequence, so that the inner Surface of the cylindrical tube sealed with the fiber-free SiC layer was a cylindrical liner for a mold filling device (filling book se) a plastic injection molding machine. The component proved itself under the complex operational loads, such as high filling pressure and wear-and-tear media um and temperature changes.

Claims (6)

1. Werkstücke aus faserverstärkter Keramik, bestehend aus mindestens zwei aneinandergelegten und mit einem Matrixmaterial umgebenen Fasergele­ gen aus keramischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser­ gelege (13-17) unterschiedliche Strukturen haben und/oder aus unter­ schiedlichem Material bestehen.1. Workpieces made of fiber-reinforced ceramic, consisting of at least two fiber gels placed against one another and surrounded by a matrix material, made of ceramic material, characterized in that the fiber layers ( 13-17 ) have different structures and / or consist of different materials. 2. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken nach Anspruch 1, wobei Faser­ gelege aus keramischem Material hergestellt und zu einem Faserverbund zusammengelegt, mit einer Keramikmatrix imprägniert und gebrannt wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß Fasergelege (13-17) mit unterschiedli­ chen Strukturen und/oder aus unterschiedlichen Materialien verwendet und zu einem Faserstrukturverbund (12) zusammengelegt, imprägniert und ge­ brannt werden.2. A process for the production of workpieces according to claim 1, wherein fiber scrims made of ceramic material and folded into a fiber composite, impregnated with a ceramic matrix and fired who, characterized in that fiber scrims ( 13-17 ) with differen chen structures and / or used from different materials and folded, impregnated and burned to a fiber structure composite ( 12 ). 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserstruk­ turverbund (10) durch Flüssigphaseninfiltration oder durch chemische Gas­ phaseninfiltration mit dem Matrixmaterial imprägniert wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the fiber structure ( 10 ) is impregnated by liquid phase infiltration or by chemical gas phase infiltration with the matrix material. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faser­ strukturverbund (10) vor dem Imprägniervorgang mit flüssigem Polymerma­ terial getränkt und thermisch behandelt wird.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the fiber composite structure ( 10 ) is impregnated with liquid polymer material and thermally treated before the impregnation process. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Polymermaterial in reiner flüssiger Form oder als Lösung verwendet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the liquid Polymer material is used in pure liquid form or as a solution. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faser­ strukturverbund mit einer Menge von Polymermaterial getränkt wird, die gerade ausreicht, um die Faserstränge zu überbrücken, aber Porenräume nicht verschließt.6. The method according to claim 3, characterized in that the fiber structurally soaked with a lot of polymer material that just enough to bridge the fiber strands, but pore spaces not closed.
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