DE4337043A1 - Befestigungselement für Keramikbauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungs- oder Verbindungselement für Keramikbauteile.

Keramische und insbesondere faserverstärkte keramische Werkstoffe gehören aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit bei niedrigem spezifischen Gewicht zu den wichtigsten Werkstoffen bei Entwicklungen im Raumfahrtbereich.

Derzeitig werden zahlreiche Strukturbauteile für Thermalschutz, Raketenantriebe oder ähnliches aus diesen Werkstoffen hergestellt. Dabei werden größere Fertigbauteile aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen aus Einzelteilen nach der Methode des Trennens und Fügens gebaut. Zur Verbindung derartiger Bauteile sind daher Befestigungselemente erforderlich. Ihre allgemeine Bedeutung wird klar, wenn man berücksichtigt, daß sie der Anwendung nach das häufigste Strukturelement überhaupt sind: Gewindeverbindungen spielen im Maschinenbau, bei Flugzeugstrukturen und in vielen anderen technischen Bereichen eine traditionell große Rolle.

Die für das nachträgliche Verbinden verwendeten Methoden müssen nicht nur einfach und wirtschaftlich, sondern auch mit den zu verbindenden Teilen der Struktur kompatibel sein, so daß damit deren Tragfähigkeit und die Grenzen ihres Einsatzes, zum Beispiel hinsichtlich der Temperatur, nicht beeinträchtigt werden. Dies ist allerdings bei Anwendung von Befestigungselementen aus anderen Werkstoffen, beispielsweise metallischen, bei weitem nicht gegeben. Obwohl metallische Befestigungselemente im allgemeinen vorteilhafte Eigenschaften besitzen, sind sie für die Befestigung keramischer Bauteile wenig geeignet. Ihre wesentlich größere Wärmeausdehnung, ihre Neigung zum Kriechen und ihre relativ niedrige Festigkeit bei für keramische Werkstoffe noch vergleichsweise niedrigen Temperaturen sowie ihre Oxidationsempfindlichkeit führen dazu, daß metallische Befestigungselemente bei hohen Temperaturen nur in begrenztem Umfang verwendet werden können. Bereits bei Anwendungstemperaturen bis 1600°C, die für faserverstärkte Keramiken typisch sind, ist die Verwendung metallischer Schrauben nicht mehr denkbar.

Gegenstand der Erfindung ist daher, ein Befestigungselement der eingangs genannten Art für hohe Temperaturen ausgesetzte Keramikbauteile zu schaffen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Damit wird eine Verbindung von Strukturen aus keramischen Einzelteilen geschaffen, die den Einsatz artgleicher Werkstoffe gewährleistet und damit nicht die vorstehenden Nachteile hat.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Schrauben aus faserverstärkter Keramik. Es hat sich herausgestellt, daß damit die hohe Empfindlichkeit auf Spannungskonzentration und niedrige Anpassungsfähigkeit monolithischer Keramiken infolge fehlender Möglichkeiten zur inelastischen Ver­ formung deutlich herabgesetzt werden kann. Da die hohe Spannungskonzentration bei Befestigungselementen nicht vermeidbar ist (Gewinde, Kopf, Kraft- und Formschluß) bietet die Erfindung eine brauchbare Lösung.

Das Ablegen der Fasern in der für Befestigungselemente günstigen Lage bei den bisher verwendeten Formen ist schwierig. Die Beständigkeit der Gewinde nach dem Schneiden leidet darunter, daß die Fasern zum Rand sehr kurz geschnitten werden müssen und dadurch das Gewinde keinen Halt mehr findet. Um die not­ wendige Vorspannung des Befestigungselementes aufrechterhalten zu können, wird vorgeschlagen, die Mehrzahl der einen Faserart des Gewebes in dieser Richtung anzuordnen.

Die Schraube wird vorzugsweise aus einer Platte aus faserverstärkter Keramik mit Faserlagen (Laminaten) parallel zur Plattenoberfläche geschnitten. Die Dicke der Platte beträgt im allgemeinen weniger als 90% des Kerndurchmessers des Gewin­ des. Das Gewinde der Schraube ist vorzugsweise unterbrochen, dadurch werden die auf Kantenbruch gefährdeten Teile der Gewindegänge von Anfang an vermieden, womit gleichzeitig die notwendige Haltbarkeit und Formbeständigkeit erreicht wird.

Für die Gewindegänge wird ein Profil von 90° gewählt. Dadurch werden sowohl Tragfähigkeit als auch die Biegefestigkeit der Gewindegänge erhöht, was wegen der Anrißempfindlichkeit der Keramik und zur Reduktion der Umlauflänge der Gewinde günstig ist. Gleichzeitig kann die Platte durch die Kombination der Ge­ webeschichten 0°/90° und -45°/+45° so hergestellt werden, daß ± 45° Fasern immer parallel zu einer der Gewindeflanken liegen. Diese neuartige Lösung ver­ stärkt das Gewindeprofil zusätzlich.

Durch gezielte Auswahl der Faseranteile in Richtung der Schraubenachse können die Vorspannungskapazitäten der Schraube geregelt werden, die sowohl für axiale als auch Scherverbindungen eingesetzt werden kann. Da das Gewinde unterbro­ chen ist, muß nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die scharfe Kante an jedem Ein- und Auslauf abgeflacht werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß das Gewindeprofil von 90° eine größere Steigung und eine niedrigere Umdrehungszahl bei der Montage als beim Normalgewinde ergibt, so daß sich die Gefahr vermindert, daß es bei der Montage beschädigt wird. Falls erforderlich, kann die Verbindung vor selbständigem Lösen durch Verkleben gesichert werden.

Das Profil des Schraubenkopfes ist vierkantig, z. B. ein Hammerkopf mit den Ausgangsabmessungen der Platte. Dadurch kann die Schraube in Position gehalten oder gegen Drehen gesichert werden.

Bei Bedarf wird der Schraube eine Mutter zugeordnet.

Die Mutter als anderer Teil des Gewindepaares hat ein kontinuierliches Innen­ gewinde, da hier die Restlänge der durch die Bohrung unterbrochenen Faser im Gewebe nicht, wie bei der Schraube möglich, bis auf Null reduziert wird. Der Außendurchmesser der Mutter muß größer als bei der Standardform sein, um die höhere radiale Belastung durch das 90°-Profil zu kompensieren. Da das Gewinde in einer Ebene erfindungsgemäß nur an zwei Seiten trägt und an den senkrecht dazu stehenden Seiten ein Spiel zwischen Mutter und Schraube besteht, kann sich die Mutter bei Belastung des Gewindes durch elliptische Verformung besser an­ passen. Die Größe des Außendurchmessers muß daher rechnerisch optimiert werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darge­ stellt.

Die Schraube 1, 2 gemäß Fig. 1 besteht aus faserverstärkter Keramik und enthält einen Kopf 1 und einen Schaft 2. Die Schraube 1, 2 wird aus einer Platte mit Faserlagen 3, 3′ parallel zur Oberfläche hergestellt. Die Plattendicke beträgt weniger als 90% des Kerndurchmessers des Gewindes 4, so entsteht beim Ge­ windeschneiden ein Gewindeprofil 5, das an den beiden Seiten senkrecht zur planen Oberfläche 7 unterbrochen ist. Die Gewindegänge 4 haben ein Profil von 90° und sind an jedem Ein- und Auslauf 6 abgeflacht. Das Profil des Schrauben­ kopfes 1 ist vierkantig.

Die Platte aus faserverstärkter Keramik ist durch geeignete Kombination von Gewebefaserlagen mit 0°/90° 3 und -45°/+45° 3′ gerichteten Fasern hergestellt. Dadurch kann erreicht werden, daß über die 0°-Fasern der Gewebeschichten 0°/90° 3 in Richtung des Schraubenschaftes 2 die Vorspannungskapazitäten der Schraube 1, 2 geregelt werden können und daß die ± 45° Fasern 3′ immer parallel zu den Gewindeflanken 4 liegen.

Die zugehörige Mutter 8 gemäß Fig. 4 ist ebenfalls aus faserverstärkter Keramik 9 hergestellt und hat ein kontinuierliches Innengewinde 10, das das Fasergewebe der Keramik 9 senkrecht durchschneidet.

Claims (10)

1. Befestigungs- oder Verbindungselement für Keramikbauteile, gekennzeichnet durch eine Schraube (1, 2) aus Keramik.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ winde (4) der Schraube (1, 2) unterbrochen ist.

3. Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (1, 2) mindestens in einem Randbereich (2) kein Gewindeprofil aufweist und daß die Gewindegänge (4) ein Profil von 90° (5) haben.

4. Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindegänge (4) an jedem Ein- und Auslauf (6) abgeflacht sind und daß die Schraube (1, 2) durch spezielle Gestaltung des Kopfes (1), z. B. vierkantiger Flachkopf, in Position gehalten wird.

5. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (1, 2) aus faserverstärkter Keramik (3, 3′) besteht.

6. Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (1, 2) aus parallel zueinander liegenden Faserlagen besteht, wobei die Faserlagen (3) parallel und senkrecht zur Schraubenlängsachse verlaufen, und daß der Schraubenschaft (2) einen annähernd quadratischen Querschnitt hat.

7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewindeprofil (4) vorwiegend an den schmalen Seiten des annähernd quadratischen Schraubenschaftes (2) vorgesehen ist.

8. Verbindungselement nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschichten so angeordnet sind, daß Fasern mit 0°/90° (3) und ± 45° (3′) Orientierung gerichtet sind, wobei die ± 45° Fasern parallel zu den Gewindeflanken (4) verlaufen.

9. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß durch gezielte Auswahl der Faseranteile (3) in Richtung des Schraubenschaftes (2) die Vorspannungskapazitäten der Schraube (1, 2) geregelt werden, je nachdem ob sie als axiale oder als Scherverbindung eingesetzt wird.

10. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraube (1, 2) eine Mutter (8) aus faserverstärkter Keramik (9) zugeordnet ist, die eine kontinuierliches Innengewinde (10) hat, das das Fasergewebe der Keramik (9) senkrecht durchschneidet.