DE4208719A1 - Keramischer faserverbund und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Keramischer faserverbund und verfahren zu dessen herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Faserverbund nach der Gattung des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserver­ bundkörpers nach der Gattung des nebengeordneten Anspruchs 9.
Derartige Faserverbunde bzw. Kohlefaserverbundwerkstoffe werden bevorzugt in der Luft- und Raumfahrt verwendet. Dabei handelt es sich insbesondere um Kohlefaserverbundwerkstoffe, vorzugsweise hergestellt als sogenannte CFK-Bauteile, d. h. Kohlefasern werden als Gewebe oder als Faserbündel in eine Stoffmatrix zur gezielten Verstärkung eingebettet. Derartige Faserverbunde weisen eine hohe mechanische Festigkeit und sehr geringes Gewicht im Vergleich zu Metallen auf. Aus diesem Grund finden Faserverbundkörper zuneh­ mend Anwendung in der Luftfahrt wie Seitenleitwerke, Flügelteile usw. Die neueren Entwicklungsprojekte in der Luft- und Raumfahrt benötigen jedoch Kohlefaserverbundwerkstoffe, die neben den bekannten Eigenschaften wie hohe Festigkeit und geringes Gewicht auch eine Oxydationsbeständigkeit <1000°C aufweisen.
Die Kohlefaserverbundwerkstoffe sind für derartige Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da unter allen bekannten Fasermate­ rialien nur die Kohlefaser ihre sehr hohe Festigkeit bis in den höchsten Temperaturbereich (<2000°C) behält. Der entscheidende Nachteil liegt jedoch in der geringen Oxydationsbeständigkeit der ungeschützten Kohlefaser von nur 400°C. Deshalb ist es notwen­ dig, geeignete Schutzsysteme zu entwickeln, die einerseits die Kohlefaser vor Sauerstoffangriff schützt, zum anderen die mecha­ nischen Eigenschaften nicht beeinträchtigen.
Verschiedene Verfahren sind bekannt, die z. B. über Druckimprägna­ tion entsprechende Precursor in die Kohlefasermatrix einbringen oder mittels CVI/CVD-Technik über die Gasphase geeignete Stoffe um die Fasern herum und zum Auffüllen der Porenräume abscheiden.
Bekannte Systeme sind Siliciumcarbidschutzschichten, die zusätz­ lich SiO2 enthalten. Ebenso sind bekannt Siliciumcarbidschutz­ schichten kombiniert mit diversen Metall- bzw. Keramikschichten.
Das System SiC/SiO2 ist insoweit interessant, da es ähnliche Ausdehnungskoeffizienten wie die Kohlefasern besitzt. Ein weite­ res Problem besteht darin, daß das Schutzsystem über einen Tempe­ raturbereich von 20°C bis <1000°C wirksam bleiben muß und das bei hoher dynamischer Belastung. Die bisherigen Verfahren sind sehr zeitaufwendig, sehr teuer und die Zuverlässigkeit des ein­ wandfreien Schutzes der einzelnen Fasern ist nicht immer gewähr­ leistet. Zusätzlich weisen die Verfahren zum großen Teil nur einen begrenzten Temperaturanwendungsbereich auf. Entweder <1000 oder <1000°C. Auch bereitet es oftmals Probleme, komplexere Bauteile (3-dimensional geformte Strukturen) herzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Faserverbundkörper komplexer Struktur einfach und kostengünstig herzustellen. Dar­ über hinaus soll der Faserverbund eine sehr hohe Zuverlässigkeit des Oxydationsschutzes der eingesetzten Faser bieten.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch einen Faser­ verbund mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Vortei­ le der Erfindung bestehen darin, daß die Faserstruktur-Matrix des Faserverbundes eine hohe mechanische Festigkeit und Oxydationsbe­ ständigkeit <1000°C aufweist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Faser während der Faserverbundherstellung in die Matrix eingebettet. Dabei entsteht gleichzeitig ein inniger Verbund zwischen der Faserstruktur und der Matrix.
Die Schichtdicke der faserumhüllenden Schicht liegt im Nanometer­ bereich. Dadurch ist eine ausreichende Flexibilität der Faser für die weitere Verarbeitung gewährleistet. Die faserumhüllende Schicht ist gleichzeitig so homogen, daß sie bereits einen aus­ reichenden Oxydationsschutz für die Faser bietet.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Ein Faserverbundkörper mit besonders guten mechanischen Eigenschaften und hoher Oxydationsbeständigkeit wird erreicht, wenn die faserumhüllende Schicht durch Plasmaspritzen aufgebracht wird. Die gespritzten Partikel bilden eine besonders gleichmäßige dichte faserumhüllende Schicht. Durch eine geeignete Kombination verschiedener plasmagespritzter Materialien (Keramik, Metalle, Gläser) lassen sich die Ausdehnungskoeffizienten gezielt aufein­ ander abstimmen und damit insbesondere Bauteile für hohe dynami­ sche Belastungen, wie sie in der Luft- und Raumfahrt vorkommen, herstellen.
Ein Faserverbundkörper mit einer komplexen Geometrie läßt sich besonders einfach herstellen, wenn der Faserverbund durch Umhül­ len eines Formenkerns mit der Faser gebildet wird, wobei während des Umhüllens die faserumhüllende Schicht erzeugt wird. Durch Aufbringen einer weiteren Schicht kann die mechanische Festigkeit des Faserverbundkörpers weiter erhöht werden. Die Oxydationsbe­ ständigkeit der Faser kann darüber hinaus dadurch verbessert werden, wenn die Faser vor dem Umhüllen mit der faserumhüllenden Schicht bereits mit einer Schutzschicht versehen ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbei­ spielen und einer Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Faserverbund und Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Vorrich­ tung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundkörpers.
Der erfindungsgemäße Faserverbund ist gemäß Fig. 1 aus Fasern, beispielsweise Kohlefasern 10 aufgebaut, die in eine Matrix 11 eingebettet sind. Die Kohlefaser 10 ist von einer Schutzschicht 14 umgeben. Die Schutzschicht 14 besteht beispielsweise aus Siliciumcarbid. Es sind aber auch alle anderen keramischen Oxyda­ tionsschutzschichten denkbar. Die mit der Schutzschicht 14 verse­ hene Kohlefaser 10 ist von einer weiteren faserumhüllenden Schicht 12 umgeben. Die faserumhüllenden Schichten 12 der einzel­ nen Kohlefasern 10 sind so aneinandergepackt, daß sie miteinander verschmelzen und die Matrix 11 bilden. Das Verschmelzen der faserumhüllenden Schichten 12 wird beispielsweise durch Plasma­ spritzen der faserumhüllenden Schicht 12 erreicht.
Gemäß den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Plasmaspritztech­ nik treffen die gespritzten Partikel als schmelzflüssige Teilchen auf die Kohlefaser 10 auf. Die so erzeugte schmelzflüssige faser­ umhüllende Schicht 12 wird mit der faserumhüllenden Schicht der benachbarten Faser in Kontakt gebracht. An den Kontaktstellen bildet sich eine innige Verbindung zwischen den faserumhüllenden Schichten 12 aus. Die Verbindung führt schließlich zu einer stabilen Matrix 11, in der eine Vielzahl von Fasern 12 eingebet­ tet sind. Im vorliegenden Beispiel sind gemäß Fig. 1 zwei Faser­ ebenen übereinander angeordnet. Je nach gewünschter Stabilität ist aber genauso ein Faserverbundkörper durch eine oder mehr als zwei Faserebenen realisierbar. Eine besonders innige Verbindung läßt sich erzielen, wenn sich beide benachbarten faserumhüllenden Schichten 12 noch im schmelzflüssigen Zustand befinden.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Formenkern, der beispielsweise ein Wickeldorn 15 ist. Der Wickeldorn 15 ist in einer nicht dargestellten Vakuumplasma­ spritzanlage angeordnet. Auf den Wickeldorn 15 wird die Kohlefa­ ser 10 aufgewickelt, wobei ein ebenso nicht dargestellter Plasma­ strahl vor dem Wickeldorn 15 die Kohlefaser 10 mit der faserum­ hüllenden Schicht 12 umspritzt.
Die folgenden beiden Beispiele beschreiben das erfindungsgemäße Verfahren näher.
Beispiele Beispiel 1
Die mit pyrolytischem Kohlenstoff und Siliciumcarbid beschichte­ ten Kohlefasern werden in der Vakuumplasmaspritzanlage auf den Wickeldorn 15 kontinuierlich aufgewickelt, so daß ein Rohr ent­ steht. Während dem Wickeln wurden Aluminiumoxydpulver auf die Kohlefasern gespritzt. Nach Erreichen der notwendigen Wandstärke von ca. 2 mm wurde noch eine abschließende Aluminiumoxydschicht zusätzlich aufgespritzt.
Rohrabmessung: da 50×di 46×70 mm Länge.
Dynamische Oxydationsversuche, d. h. Aufheizen des Bauteils im Luftstrom auf 1400°C, Haltezeit von 30 Minuten und Abkühlen und Wiederaufheizen. Dieser Vorgang wurde 5× wiederholt. Das Bauteil zeigte keinerlei Risse und Gewichtsverluste. Schliffbilder zeig­ ten, daß keine Fasern oxydiert wurden.
Beispiel 2
Die mit pyrolytischem Kohlenstoff und siliciumcarbidbeschichtete Kohlefasern wurden in der Vakuumplasmaspritzanlage auf den Wickeldorn 15 kontinuierlich aufgewickelt. Der Dorn wurde so ausgeführt, daß ein Rohr mit einem quadratischen Querschnitt entstand. Während dem Wickeln wurde eine Siliciumcarbidschicht aufgespritzt und darauf eine SiO2-Schicht.
Ein statischer Oxydationsversuch bei 1400°C (Haltezeit 1 Stunde und Wiederabkühlen) zeigte einerlei Veränderung und Gewichtsverlust des Materials. Schliffbilder wiesen nach, daß die Fasern nicht oxydiert oder geschädigt wurden.

Claims (20)

1. Faserverbund, bestehen aus in eine Matrix eingebetteten Fasern, insbesondere Kohlefasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (10) von mindestens einer faserumhüllenden Schicht (12) umgeben ist, die zugleich die Matrix (11) des Verbundes bildet.
2. Faserverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbund ein Formkörper ist und daß der Formkörper durch Umhüllen eines Formenkernes (15) mit der faserumhüllenden Schicht (12) versehenen Faser (10) gebildet ist, wobei die faserumhüllen­ de Schicht (12) während des Umwickelns des Formenkernes (15) erzeugt wird.
3. Faserverbund nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die faserumhüllende Schicht (12) durch Plasmaspritzen während der Herstellung des Formkörpers aufgebracht wird.
4. Faserverbund nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die von der faserumhüllenden Schicht (12) gebildete Matrix (11) mit einer weiteren Schicht (13) versehen ist.
5. Faserverbund nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (13) nach dem gleichen Verfahren wie die faserum­ hüllende Schicht (12) aufgebracht wird.
6. Faserverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material der faserumhüllenden Schicht (11) und/oder das Material der weiteren Schicht (13) ausgewählt ist aus der Gruppe der Metalle, der Keramiken oder der Gläser oder aus einem Gemisch dieser Stoffe besteht.
7. Faserverbund nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (10) mit mindestens einer Schutz­ schicht (13) versehen ist.
8. Faserverbund nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (13) eine keramische Schicht ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkörpers, bestehend aus in eine Matrix eingebetteten Fasern, insbesondere Kohlefa­ sern, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser bei der Formgebung des Verbundkörpers mit einer faserumhüllenden Schicht derart umhüllt wird, daß sich die faserumhüllende Schicht als Matrix ausbildet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Form­ gebung des Verbundkörpers die Faser auf einen Formenkern gewickelt wird und daß beim Wickeln die faserumhüllende Schicht aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die faserumhüllende Schicht mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material der faserumhüllenden Schicht ausge­ wählt wird aus der Gruppe der Metalle, Keramiken, Gläser oder einem Gemisch dieser Stoffe.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der faserumhüllenden Schicht eine Oxidkeramik verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumoxidkeramik verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der faserumhüllenden Schicht eine Karbidkeramik verwen­ det wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliciumcarbidkeramik verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Ausbilden der Matrix eine weitere Schicht auf die Matrix aufgebracht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht aus dem gleichen Material wie die faserumhüllende Schicht hergestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht nach dem gleichen Verfahren wie die faserum­ hüllende Schicht hergestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeich­ net, daß gleichzeitig mit mehreren Plasmaspritzeinheiten ver­ schiedene Stoffe auf die Faser aufgespritzt werden.
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