DE69205805T2

DE69205805T2 - Isolierendes hitzebeständiges Verbundmaterial niedriger Dichte und Verfahren zur Herstellung eines solchen Glas-Sandwich Materials.

Info

Publication number: DE69205805T2
Application number: DE69205805T
Authority: DE
Inventors: Colette Bayle; Nicolas Marceau
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2012-11-10
Also published as: EP0544553B1; EP0544553A1; JPH05261862A; US5514198A; JP3102964B2; FR2684040B1; FR2684040A1; DE69205805D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen isolierenden, hitzebeständigen Verbundwerkstoff mit geringer Dichte und genauer auf ein Sandwich aus SiC-Glas-Glasschaumstoff ebenso wie auf dessen Herstellungsverfahren.
Es gibt uni- oder bidirektionale strukturelle Verbundwerkstoffe, die auf der Basis von Fasern aus SiC und einer Glasmatrix gebildet sind, die durch Imprägnierung einer faserigen Vorform mittels eines Schlickers, der die zur Erzielung der gewünschten glasartigen Zusammensetzung notwendigen Elemente enthält, und anschließender Trocknung der auf diese Weise imprägnierten Vorform erhalten werden. Dann werden getrocknete Prepregs aufeinandergeschichtet und durch mäßige Erwärmung untereinander fest verbunden, um mono- oder bidirektionale Verbundwerkstoffe mit Verstärkung mit großen Abmessungen zu erzielen, wobei diese Vorform schließlich mittels einer Kompressionsstufe unter Wärme bei einer Temperatur von vorzugsweise 1000ºC bis 1200ºC verdichtet wird, wie in der FR-A 2 648 806 beschrieben. Es sind auch auf dem Sol- Gel-Weg erhaltene glaskeramische Zusammensetzungen bekannt, die einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und die beträchtliche und schnelle Temperaturschwankungen unbeschadet überstehen. In der FR-A 2 655 327 ist insbesondere eine glaskeramische Zusammensetzung beschrieben, die als Hauptbestandteile SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3; und LiO&sub2; oder MgO besitzt, die auf dem Sol-Gel-Weg ausgehend von Silicium- und Aluminium-Alkoholaten und von Lithium- oder Magnesium-Verbindungen erhalten werden, wobei die Zusammensetzung im wesentlichen in Form von keramischen festen Lösungen vorliegen, deren niedriger Ausdehnungskoeffzient für die Bildung von Verbundwerkstoffen mit guten thermomechanischen Eigenschaften günstig ist.
Die zuvor genannten strukturellen Materialien finden - aufgrund ihrer Qualität - vorteilhafte Anwendungen auf den Gebieten der Luft- und Raumfahrt. Sie zeigen indessen auf dem Gebiet der akustischen und thermischen Isolation keine hohe Leistung. Andererseits sind thermisch und akustisch isolierende Materialen bekannt. Zu diesem Punkt können Glasschaumstoffe auf der Basis von Aluminiumsilicat mit einer aufgeschäumten Struktur wie jene in der FR-A 2 578 828 beschriebene erwähnt werden. Dieses wenigstens teilweise kistallisierte Aluminiumsilicat resultiert aus der Oxidation eines Nitrids auf der Basis von Aluminium an Luft, was zu einem aufgeschäumten Produkt mit geschlossenen Poren führt, die Stickstoff einschließen. Dieses Material ist für Wasser undurchlässig, es zeigt eine gute Widerstandsfähigkeit gegen chemische Agenzien und bildet ein gutes thermisches Isolationsmittel. Im Gegensatz dazu weist es nur mittelmäßige strukturelle Qualitäten auf.
Keines von allen diesen Produkten vereinigt indessen alle Qualitäten, die erforderlich sind, um tragende Strukturen mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht realisieren zu können, die zur Herstellung von Platten insbesondere für Luftschiffe und Raumfahrzeuge geeignet sind, die zwingend Hochleistungseigenschaften gleichzeitig hinsichtlich mechanischer Festigkeit, thermischer Isolation, akustischer Isolation sowie chemischer Neutralität aufweisen müssen, und dies bei einer hohen Temperatur von bis zu ungefähr 1000ºC.
Es sollte sicher möglich sein, strukturelle Verbundwerkstoffe und thermisch und akustisch isolierende Materialien zu kombinieren und auf diese Weise eine Sandwich- Struktur zu erzielen, welche die gesuchten Eigenschaften zeigt. Zum Beispiel wird durch Überziehen der Wände einer Form mit verdichteten Häuten aus SiC/Glas und Einbringen eines Pulvergemisches aus Glas-Aluminiumnitrid ins Innere derselben, wie es die FR-A 2 578 828 lehrt, nach einer geeigneten thermischen Behandlung ein aufgeschäumter Glasschaumstoff erzielt, der mit den Wänden verbunden ist. Die Ausdehnung des Schaumstoffes übt einen Druck auf die Wände der Form aus, der die Verbindung mit den Häuten aus SiC/Glas begünstigt. Diese Lösung, die bestechend erscheinen mag, bringt dennoch Nachteile mit sich, die der Anmelderin ausreichend schienen, um sie nach einem anderen Material und einem anderen Verfahren forschen zu lassen. Diese Nachteile sind im wesentlichen in den Schwierigkeiten begründet, auf die man bei der Behandlung des Pulvers aus Glas und Aluminiumnitrid, der Realisierung der Formen, selbst wenn es sich um die Erzielung von ebenen Platten handelt, und dabei stößt, eine Ausdehnung des Glasschaumstoffes im Hinblick auf die Erzielung von Stücken mit geringer Dicke und großer Schlankheit zu bewirken.
Die Erfindung hat folglich einen isolierenden Verbundwerkstoff zum Ziel, der auf der Grundlage von Siliciumkarbidfasern mit einer Glasmatrix und einem Glasschaumstoff gebildet ist und der aus einer Wechselfolge von wenigstens zwei zuvor bearbeiteten Häuten aus einer Glasmatrix und wenigstens einer Masse aus aufgeschäumtem Glasschaumstoff besteht, die eine durch eine glasartige Verbindung erzielte Sandwich- Struktur bilden, in der eine Migration von chemischen Elementen, die in den Gläsern der verschiedenen Schichten enthalten sind, zur Ebene ihrer Grenzflächen stattgefunden hat.
Die Erfindung hat außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Verbundwerkstoffes zur Hauptaufgabe, das folgendes beinhaltet:
- Anordnen einer Haut aus einer Glasmatrix auf einem starren Träger,
- Anbringen eines aufgeschäumten Glasschaumstoffs auf der Haut, dessen Gestalt und Dicke denjenigen des endgültigen, gesuchten Stückes entsprechen,
- Überziehen des Schaumstoffes mit einer weiteren Haut aus einer Glasmatrix,
- Anordnen einer starren Gegenform auf dem Ganzen,
- Anwenden eines gleichmäßig verteilten mechanischen Druckes auf den Komplex,
- Anordnen des Komplexes in einem Ofen und Bewirken, daß er eine Erwärmung an Luft unter Atmosphärendruck gemäß einem speziellen Zyklus zur Anhebung der Temperatur gefolgt von einer Abkühlung erfährt, und
- Entfernen der Elemente zur Aufrechterhaltung des Drucks.
Prinzipiell beinhaltet der spezielle Erwärmungszyklus folgendes:
- Sicherstellen, daß die Umgebungstemperatur über die Glasübergangstemperatur hinaus angehoben wird,
- Aufrechterhalten einer Erwärmungsstufe während einer vorgegebenen Dauer auf dieser maximalen Temperatur,
- Sicherstellen einer langsamen Abkühlung bis auf 500ºC,
- dann Ausführen einer schnellen Abkühlung von 500ºC auf die Umgebungstemperatur durch Öffnen des Ofens.
Vorteilhafterweise liegen die Geschwindigkeit des Anhebens und die Geschwindigkeit des Absenkens der Temperatur in der Größenordnung von 500ºC/Stunde, und die Erwärmungsstufe auf der maximalen Temperatur liegt in der Größenordnung von 15 Minuten.
Weitere spezielle Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung ersichtlich, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgendes darstellen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der Fertigung eines hitzebeständigen Verbundwerkstoffes;
Fig. 2 eine Schnittansicht einer durch das Verfahren erhaltenen Sandwich- Struktur aus SiC/Glas-Glasschaumstoff;
Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Figur 1.
Figur 1 stellt die durch das Verfahren erhaltene Sandwich-Struktur dar. Auf einem starren Träger (1) wird eine verdichtete Haut (2) aus SiC/Glas angeordnet, die auf eine bekannte Weise erzielt wird und die vorausgehend einen Schliff erfahren hat, der ihr einen guten Oberflächenzustand verleiht. Dieser Schliff wurde auf der Oberseite (2a) der Haut (2) durchgeführt. Über dieser letzteren wird ein aufgeschäumter Glasschaumstoff (3) angebracht, dessen Gestalt und Dicke der Gestalt des endgültigen, gesuchten Stückes entsprechen, abzüglich der Dicke der Häute. Dieser Schaumstoff ist an der Oberfläche bearbeitet und die Poren sind offen. Der Schaumstoff (3) ist seinerseits mit einer Haut (4) mit zu der ersten identischer Natur bedeckt, die gleichfalls auf ihrer Innenseite geschliffen ist. Über dem Ganzen wird eine starre Gegenform (5) angeordnet, auf der ein gleichmäßig verteilter mechanischer Druck (P) auf den Komplex angewendet wird. Danach wird dieser Komplex in einem Ofen angeordnet, dann wird eine Erwärmung an Luft unter Atmosphärendruck gemäß dem folgenden speziellen Zyklus ausgeführt.
- Anheben der Umgebungstemperatur über die Glasübergangstemperatur hinaus mit einer Geschwindigkeit des Anhebens von 500ºC/Stunde.
- Dann eine Stufe von 15 Minuten bei der maximalen Temperatur.
- Daraufhin langsame Abkühlung bis auf 500ºC (zum Beispiel Absenken mit 500ºC/Stunde).
- Schließlich schnelle Abkühlung von 500ºC auf die Umgebungstemperatur durch Öffnen des Ofens.
Nach diesem Zyklus können die Elemente zum Aufrechterhalten des Drucks entfernt werden.
Die Parameter für Druck, Temperatur und Zeit sind derart eingestellt, daß der Schaumstoff und das SiC/Glas-Komposit nicht verschlechtert werden. Es ist zu erwähnen, daß die in dem Ofen erreichte Temperatur für eine aus Häuten des Typs SiC/Glas zusammengesetzte Sandwich-Struktur zwischen 800ºC und 900ºC liegt.
Dank dieses Verfahrens wird eine ausgezeichnete glasartige Verbindung zwischen dem Glasschaumstoff (3) und den Häuten (2, 4) erzielt. In Figur 2 ist ein auf diese Weise erhaltenes Sandwich dargestellt, das aus einer Wechselfolge von Häuten aus SiC/Glas und einer Masse von aufgeschäumtem Glasschaumstoff gebildet ist, in dem die drei Schichten gut sichtbar sind. Die Temperatur der Stufe, die, wie man gesehen hat, höher als die Glasübergangstemperatur der vorliegenden Materialien ist, erlaubt eine Migration der in den verschiedenen Schichten enthaltenen chemischen Elemente zur Ebene ihrer Grenzfiächen. Die Stufe von 15 Minuten ist notwendig und ausreichend, damit die Temperatur des Komplexes homogen ist und damit die glasartige Verbindung garantiert ist, ohne daß sich eine Verschlechterung durch Einfallen des Schaumstoffs ergibt. Der Schaumstoff kann auf eine Temperatur von ungefähr 50% oberhalb seiner Glasübergangstemperatur gebracht werden, ohne eine Verschlechterung zu erfahren. Der aufgeschäumte Schaumstoff (3) und seine Poren sind gut zu sehen, perfekt an die faserartige Haut (4) gebunden.
Figur 3 stellt eine weitere Form eines erhaltenen Stückes dar, in der mehrere Zwischenhäute (6, 7) zusätzlich zu den äußeren Häuten (2, 4) vorgesehen sind. Zwischen diesen Häuten befinden sich Bereiche aus aufgeschäumtem Glasschaumstoff (3) mit den gewünschten Formen und Dicken eingefügt, die mit den Häuten ein Mehrfach-Sandwich bilden.
Die Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebenen Stücke mit ebenen und parallelen Oberseiten beschränkt, sondern schließt jegliche weitere Gestalt ein. Die Träger sind folglich an die gesuchten Formen angepaßt, ebenso wie die Gegenformen, welche die Elemente tragen, auf die Druck ausgeübt wird. Die Erfindung ist ebensowenig auf Häute aus SiC/Glas beschränkt, vielmehr kann jede andere Haut mit Glasmatrix in Betracht gezogen werden.
Die mit Hilfe dieser Sandwich-Strukturen ausgeführten Platten zeigen eine Steifigkeit, die mit jener einer metallischen, bienenwabenförmigen Platte vergleichbar ist, jedoch überdies mit Gewährleistung einer hervorragenden Temperaturfestigkeit. Auf diese Weise können dieselben auch gut für Tragwerke von Luftfahrzeugen und Raumfahrzeugen, wie für Feuerschutzelemente mit hoher thermomechanischer Widerstandsfähigkeit, eingesetzt werden.

Claims

1. Isolierender Verbundwerkstoff, der Hochleistungseigenschaften zugleich hinsichtlich mechanischer Festigkeit, thermischer Isolation, Schallisolation und chemischer Neutralität aufweist und auf der Grundlage von Siliciumkarbidfasern, die in einer Glasmatrix eingebaut sind, und eines Glasschaumsstoffes gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Wechselfolge von wenigstens zwei zuvor bearbeiteten Häuten (2, 4, 6, 7) aus einer Glasmatrix und wenigstens einer Masse (3) aus aufgeschäumtem Glasschaumstoff besteht, die eine durch eine glasartige Verbindung erzielte Sandwich- Struktur bilden, in der eine Migration von chemischen Elementen, die in den Gläsern der verschiedenen Schichten enthalten sind, zur Ebene ihrer Grenzfiächen stattgefunden hat.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zuvor bearbeiteten Häute (2, 4, 6, 7) Häute aus SiC/Glas sind.

3. Vefahren zur Herstellung eines isolierenden Verbundwerkstoffs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes beinhaltet:

- Anordnen einer Haut aus einer Glasmatrix auf einem starren Träger;

- Anbringen eines aufgeschäumten Glasschaumstoffs auf der Haut, dessen Gestalt und Dicke denjenigen des endgültigen gesuchten Stückes entsprechen;

- Überziehen des Schaumstoffes mit einer weiteren Haut aus einer Glasmatrix;

- Anordnen einer starren Gegenform auf dem Ganzen;

- Anwenden eines gleichmäßig verteilten mechanischen Druckes auf den Komplex;

- Anordnen des Komplexes in einem Ofen und Bewirken, daß er eine Erwärmung an Luft unter Atmosphärendruck gemäß einem speziellen Zyklus zur Anhebung der Temperatur gefolgt von einer Abkühlung erfährt; und

- Entfernen der Elemente zur Aufrechterhaltung des Drucks.

4. Verfahren zur Herstellung eines isolierenden Verbundwerkstoffs nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes beinhaltet:

- Anordnen einer Haut aus einer Glasmatrix auf einem starren Träger;

- Anbringen einer Wechselfolge von Massen aus aufgeschäumtem Glasschaumstoff und von Häuten aus einer Glasmatrix auf der Haut;

- Anordnen einer starren Gegenform auf dem Ganzen;

- Anwenden eines gleichmäßig verteilten mechanischen Drucks auf den Komplex;

- Entfernen der Elemente zur Aufrechterhaltung des Drucks.

5. Herstellungsverfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spezielle Zyklus zur Erwärmung aus folgendem besteht:

- Sicherstellen, daß die Umgebungstemperatur über die Glasübergangstemperatur hinaus angehoben wird;

- Aufrechterhalten einer Erwärmungsstufe während einer vorgegebenen Dauer auf dieser maximalen Temperatur;

- Sicherstellen einer langsamen Abkühlung bis auf 500ºC

- dann Ausführen einer schnellen Abkühlung von 500ºC auf die Umgebungstemperatur durch Öffnen des Ofens.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Anhebens und die Geschwindigkeit des Absenkens der Temperatur in der Größenordnung von 500ºC/Stunde liegen.

7. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungsstufe auf die maximale Temperatur in der Größenordnung von 15 Minuten liegt.