DE69306573T2 - Monolithischer keramik/faser-verstärtkter keramischer verbundwerkstoff - Google Patents

Monolithischer keramik/faser-verstärtkter keramischer verbundwerkstoff

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Formteil aus Keramik-Keramik-Verbundwerkstoff, umfassend einen Keramikmonolith, Keramikfasern, eine erste Beschichtung aus einer kohlenstoffhaltigen Matrix und eine zweite Beschichtung aus Siliciumcarbid.
  • Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffe sind besonders bei hoher Temperatur, in chemisch korrosiven Umgebungen nützlich. Der Grund dafür ist, daß solche Verbundwerkstoffe gegenüber chemischer Korrosion widerstandsfähiger sind als vergleichbare Metallteile und daß sie gegenüber thermischem und mechanischem Schock widerstandsfähiger sind als monolithische Keramikteile.
  • Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffe werden in den U.S. Patenten Nr.4,275,095 und 4,397,901 beschrieben, welche ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffteiles aus einem kohlenstoffhaltigen fasrigen Substrat, einer Umhüllung aus Pyrokohlenstoff und einer angepaßten Beschichtung aus Metallcarbid, -oxid oder -nitrid über den beschichteten Fasern beschreiben. Als Fasern wurden Cellulose-, Pech-, Kunstseiden-, Polyacrylnitril- oder Wollfasern aufgeführt.
  • U.S. Patent Nr.4,766,013 beschreibt ein fasriges Substrat mit einer Beschichtung aus Pyrokohlenstoff, welche um jede Faser herum abgeschieden ist, und einer Beschichtung aus Metallcarbid, -bond, -oxid oder -nitrid über jeder Faser. Als Fasern wurden kohlenstoffhaltige und Keramikfasern aufgeführt.
  • U.S. Patent Nr.4,863,798 offenbart mehrschichtige Beschichtungen auf Kohlenstoffoder Keramikbasis. Ein Substrat aus Kurzfasern, Filz, Stoff oder granuliertem Material (Graphit oder Siliciumcarbid) wird mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel gemischt und mit einer Schicht aus Pyrokohlenstoff beschichtet. Dann wird eine Sperrschicht aus Bornitrid oder Borcarbid aufgebracht und darüber Siliciumcarbid geschichtet.
  • Ein im Handel erhältlicher Keramik-Verbundwerkstoff wird unter der Handelsbezeichnung "SICONEX" von MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING Co. (3M), St. Paul, Minnesota (MN) vertrieben. Diese Verbundwerkstoffe sind Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffe, die Aluminiumborsilicat-Keramikfasern, eine kohlenstoffhaltige Schicht und eine Siliciumcarbid-Deckschicht umfassen. Solche Verbundwerkstoffe werden hergestellt, indem Aluminiumborsilicat-Keramikfasem durch Flechten, Weben oder Faserwickeln in eine gewünschte Form gebracht werden oder indem, in einer anderen Ausführungsform, Aluminiumborsilicat-Keramikgewebe in eine solche Form gestaltet wird. Die Keramikfaserform wird dann mit einem gehärteten Phenolharz behandelt, wodurch ein versteiftes Teil hergestellt wird. Das so versteifte Teil wird in einer evakuierten Kammer erhitzt, so daß das gehärtete Phenolharz carbonisiert wird. Das Teil wird dann durch chemisches Aufdampfen bei Temperaturen im Bereich von etwa 900 bis etwa 1200 ºC mit Siliciumcarbid beschichtet, wodurch eine halbdurchlässige, chemisch beständige Beschichtung aus Siliciumcarbid bereitgestellt wird. Der erhaltene steife keramische Verbundwerkstoff ist bei hohen Temperaturen in korrosiven Umgebungen nützlich und weist eine ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit auf. Solche Materialien werden, passend geformt, gewöhnlich als Rohre für Strahlungsbrenner oder Brenneinsätze verwendet.
  • Ein Nachteil solcher Konstruktionen ist, daß sie gasdurchlässig sind. Es war schwierig, mit einer beliebigen der vorstehend erwähnten Methoden, ein Verbundwerkstoff-Formteil mit einer gasundurchlässigen Wandung herzustellen. Für einige Anwendungen wäre eine vollkommen gasundurchlässige Konstruktion sehr wünschenswert.
  • Ein "Temperaturmeßstutzen" zum Beispiel ist ein Begriff, der auf diesem Fachgebiet für eine Halterung eines Thermoelementes in einer Hochtemperaturbrennkammer verwendet wird. Die Brennkammeratmosphäre ist oft chemisch korrosiv und daher ist es wichtig, daß die Halterung eines Thermoelementes beständig gegen chemischen Abbau ist.
  • Herkömmliche Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffe wurden als Strahlungsschutz für Thermoelemente oder als Temperaturmeßstutzen verwendet, sind aber im allgemeinen porös gegenüber der Atmosphäre in der Brennkammer. Dies kann zu einem schnellen, unerwünschten Abbau des Thermoelementes führen. Es ist auch schwierig, lange Rohre mit engem Durchmesser aus Keramikgewebe oder -faser zu langen, geraden Rohren mit einheitlichem Durchmesser zu formen und die Geradheit und Einheitlichkeit nach der Beschichtung mit Siliciumcarbid aufrechtzuerhalten.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Keramik-Keramik-Verbundwerkstoff-Formteil, umfassend einen keramischen Monolith, bevorzugt in der Form eines Hohlrohres, mit einer Keramikfasermatrix darüber, die mit einem kohlenstoffhaltigen Material beschichtet und mit Siliciumcarbid überzogen ist.
  • Das Formteil weist sowohl eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen chemische Korrosion als auch Beständigkeit gegen thermischen und mechanischen Schock auf.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen gasundurchlässigen Verbundwerkstoff bereit und stellt daneben auch eine Lösung der Probleme der Verarbeitung langer Rohre mit engem Durchmesser im Verfahren des chemischen Aufdampfens bereit.
  • Ein keramisches monolithisches Teil, wie ein Rohr, wird mit Keramikfaser umwickelt oder mit einer Keramikstoffumhüllung versehen, mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht beschichtet und mit Siliciumcarbid überzogen. Diese Konstruktion ist in Rohrform besonders als Strahlungsschutz für Thermoelemente in Hochtemperaturbrennkammern nützlich.
  • Der Keramikmonolith kann zum Beispiel Mullit, Aluminiumoxid, Steatit, Cordierit, Siliciumcarbid, Zirconiumdioxid oder Quarz sein und ist am häufigsten nützlich in Form eines Rohres.
  • In den Verbundwerkstoffteilen nützliche Keramikfasem sind Aluminiumoxidfasern, Aluminiumsilicatfasern und Aluminiumborsilicatfasern oder Gemische derselben und Siliciumcarbidfasern.
  • Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxidfasern sind auf dem Fachgebiet bekannt und schließen zum Beispiel das in U.S. Patent Nr.4,954,462 (Wood et al.) offenbarte ein. Geeignete Aluminiumsilicatfasern sind in U.S. Patent Nr.4,047,965 (Karst et al.) beschrieben. Diese Aluminiumsilicatfasern bestehen zu 67 bis 77 Gewichtsteilen aus Aluminiumoxid und zu 23 bis 33 Gewichtsteilen aus Siliciumdioxid. Geeignete Aluminiumborsilicatfasern sind in U.S. Patent Nr.3,795,524 beschrieben. Diese Aluminiumborsilicatfasern weisen ein Aluminiumoxid/Boroxid-Molverhältnis von 9:2 bis 3:1,5 auf und enthalten bis zu 65 Gewichtsprozent Siliciumdioxid.
  • Geeignete Keramikfasern schließen zum Beispiel Aluminiumsilicatfasern ein, die im Handel unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 550 CERAMIC FIBER" von der 3M COMPANY, St. Paul, MN erhältlich sind. Geeignete Aluminiumborsilicatfasern mit variierenden Prozentgehalten an Aluminiumoxid, Boroxid und Siliciumdioxid sind im Handel erhältlich, zum Beispiel unter den Handelsbezeichnungen "NEXTEL 312 CERAMIC FIBER", "NEXTEL 440 CERAMIC FIBER" und "NEXTEL 480 CERAMIC FIBER" von der 3M COMPANY. Geeignete Aluminiumoxidfasern sind allgemein erhältlich zum Beispiel unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 610 CERAMIC FIBER" von der 3M COMPANY. Alle diese Fasern können zu Geweben oder Formen geformt werden, die zur Ausführung dieser Erfindung geeignet sind.
  • Siliciumcarbidfasern, erhältlich unter der Handelsbezeichnung "NICALON"-Fasern (hergestellt von NIPPON CARBON und erhältlich von Dow CORNING, Midland, Michigan) oder "TYRANNO"-Fasern, (hergestellt von UBE INDUSTRIES und erhältlich von TEKTRON SPECIALTY MATERIALS in Lowell, MA), sind für die Ausführung dieser Erfindung ebenso geeignet.
  • Typischerweise können einzelne Keramikfasern gebündelt werden, um ein Garn herzustellen. Im allgemeinen hat das Keramikgarn einen Durchmesser im Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 1,5 mm. Garndurchmesser in diesen Bereichen weisen typischerweise bessere Textileigenschaften auf als Garne, deren Durchmesser außerhalb dieses Bereiches liegt. Solche Garne umfassen auch typischerweise etwa 780 bis etwa 7800 einzelne Keramikoxidfasern.
  • Das Keramikgarn ist bevorzugt lagenweise verzwirnt, da eine solche Konstruktion eine bessere Festigkeit aufweist.
  • Das Keramikgarn kann unter Verwendung herkömmlicher, auf dem Fachgebiet bekannter Verfahren, einschließlich zum Beispiel Flechten, Stricken oder Weben des Garnes in die gewünschte Form (z.B. ein Hohlrohr); Flechten oder Weben des Garnes zu einem Stoff oder Gewebe und Formen des Stoffes in die gewünschte Form (z.B. ein Hohlrohr oder eine flache Platte); oder Wickeln des Garnes um ein Werkstück (z. B. helixförmiges Wickeln oder kreuzweises Wickeln des Garnes um ein Werkstück) in eine gewünschte Form gebracht werden.
  • Es wird angenommen, daß eine kohlenstoffhaltige Schicht zwischen der äußeren Siliciumcarbidbeschichtung und den Keramikfasern dazu beiträgt, eine extrem gute Bindung zwischen der vorgeformten Keramikfaser und dem Siliciumcarbidüberzug zu verhindern. Das ist wichtig, da die Verschmelzung solcher Schichten ein Material ergeben würde, welches ein Nicht-Verbundwerkstoffverhalten zeigt, d.h. es würde zur Sprödigkeit neigen und möglicherweise katastrophal brechen. Eine solche kohlenstoffhaltige Schicht kann auf zwei Wegen aufgebracht werden.
  • Bei dem ersten kann im Verfahren des chemischen Aufdampfens (CVD) durch Zersetzung eines Kohlenwasserstoffes, wie Propan oder Methan, bei erhöhten Temperaturen Kohlenstoff auf die Obeffläche der Keramikfaser abgelagert werden.
  • In dem zweiten wird ein Phenolharz in Lösung auf die Obeffläche der Faser aufgebracht, getrocknet und gehärtet. Das Phenolharz zersetzt sich bei den hohen Temperaturen, die für das chemische Aufdampfen des Siliciumcarbidüberzuges erforderlich sind, zu einer kohlenstoffhaltigen Schicht. Das Phenolharz ist auch deshalb nützlich, da es dazu beiträgt, die Keramikfaser oder das Gewebe zu dem zugrundeliegenden monolithischen Rohr zu formen und zu gestalten. Das Phenolharz kann sowohl während des Faserwickelverfahrens auf die einzelnen Fasern aufgebracht werden als auch bevor diese zum Stoff gewebt werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Harz auf das Werkstück gesprüht, gestrichen oder gegossen werden oder das Werkstück kann nach dem Weben, Flechten oder Faserwickeln in das Harz getaucht werden.
  • Das organische Harz kann ein beliebiges geeignetes Harz auf organischer Basis sein, welches mit dem hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Teiles der Erfindung verträglich ist und welches carbonisierbar ist. Das organische Harz, welches auf die Keramikfaser(n) geschichtet wird, ist bevorzugt ein Phenolharz, wobei der Begriff "Phenolharz" eine Vielzahl von Harzprodukten beschreibt, die sich aus dem Reaktionsprodukt von Phenolen mit Aldehyden ergeben. Phenolharze schließen zum Beispiel säurekatalysierte Phenolharze und basenkatalysierte Phenolharze ein. Phenolharze sind im Handel erhältlich, zum Beispiel unter der Handelsbezeichnung "DURITE-SC-1008" von BORDEN CHEMICAL OF COLUMBUS, OH, und "BKUA-2370-UCAR" (eine Phenolharzlösung auf Wasserbasis) von UNION CARBDE OF DANBURY, CT.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine geflochtene Keramikfaserhülle auf ein Aluminiumoxid- oder ein Mullitrohr gezogen werden, glattgestrichen werden und ein in Methanol gelöstes Phenolharz auf die Keramikfaser gestrichen oder gegossen werden, bis diese vollständig befeuchtet ist. Das Ende des Rohres kann mit Nähgarn umwickelt werden (Keramikfaser oder -garn), um das Rohr zu versiegeln und die Ablagerung des Siliciumcarbides auf der Innenseite zu verhindern. Der harzbeschichtete Vorformling kann dann an der Luft getrocknet und in einem Ofen gehärtet werden, wodurch das Teil versteift wird.
  • Das Teil, umfassend das monolithische Keramikrohr, die Keramikfasern und die carbonisierte Schicht, kann durch chemisches Aufdampfen mit Siliciumcarbid überzogen werden. Geeignete im Handel erhältliche Siliciumcarbidvorläufer schließen Dimethyldichlorsilan (DDS) und Methyltrichlorsilan (MTS) ein. Typischerweise wird das Werkstück in eine evakuierte CVD-Vorrichtung, welche eine Quarzvakuumhülle, einen Graphitreaktor und eine induktionsbeheizte Spule umfaßt, plaziert. Während ein nichtoxidierendes Gas durch die evakuierte Kammer strömt, wird die Brennkammer auf die gewünschte Carbonisierungstemperatur geheizt. Durch Einbringen von Dimethyldichlorsilan (DDS) oder Methyltrichlorsilan (MTS) in die Kammer wird Siliciumcarbid über die carbonisierte Schicht geschichtet. Der Siliciumcarbidvorläufer wird typischerweise in die Kammer eingebracht, indem ein nichtoxidierendes Gas durch einen geeigneten flüssigen Siliciumcarbidvorläufer (das stark flüchtige DDS oder MTS) geleitet wird oder indem gasförmiger Siliciumcarbidprecursor durch eine separate Gasleitung extra in die Kammer geleitet wird. Die Kammer wird typischerweise auf einen Druck im Bereich von etwa 666 bis etwa 6660 Pa (etwa 5 bis etwa 50 Torr) evakuiert. Die bevorzugten Flußraten des Siliciumcarbidvorläufers und des nichtoxidierenden Gases hängen von der Größe der Brennkammer ab.
  • Die Zeit, die typischerweise erforderlich ist, um ein Verbundwerkstoffteil bereitzustellen, bei dem die Menge des aufgedampften Siliciumcarbides etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent der Keramikfaser beträgt, liegt in Abhängigkeit von der Zersetzungstemperatur und dem -druck, den Flußraten der Gase und der Größe der Oberfläche des Teiles im Bereich von etwa 4 bis etwa 30 Stunden. Typischerweise ist es erwünscht, etwa 50 Gewichtsprozent Siliciumcarbid, bezogen auf das Gewicht der Faser, aufzudampfen. Die in den Versuchen hier verwendete spezielle Brennkammer war etwa 183 cm (72 inch) lang mit einem Durchmesser von etwa 33 cm (13 inch) und der Druck in der Brennkammer betrug etwa 2666 Pa (20 Torr). Die Temperatur wurde linear auf 1050ºC gesteigert, während MTS und Wasserstoffgas mit 6 Standardlitern/Minute durchflossen. Bei diesem Beschichtungsverfahren ist es wünschenswert, daß das Aufdampfen des Siliciumcarbides zuerst langsam beginnt. Im Verlauf des Siliciumcarbidaufdampfens zersetzt sich die gehärtete Phenolharzschicht, wodurch die kohlenstoffhaltige Schicht erzeugt wird. Die Gasdrücke wurden dann auf 2666 Pa (20 Torr) erhöht und die MTS-Flußrate wurde auf 8 Standardliter/Minute erhöht, wodurch größere Mengen Siliciumcarbid aufgedampft wurden. Nach etwa 7,5 Stunden der Beschichtung betrug das Gewichtsverhältnis Siliciumcarbid/Träger etwa 1,0:2,3 (d.h. etwa 30 Gewichtsprozent SiC zu etwa 70 Gewichtsprozent Träger). In dieser Kammer können nicht weniger als acht Rohre gleichzeitig beschichtet werden.
  • Soll in einer anderen Ausführungsform eine kohlenstofffialtige Schicht durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen aufgetragen werden, wird das vorstehende Verfahren so angepaßt, daß Propan oder Methan und gegebenenfalls Stickstoff durch die Brennkammer fließen, während die Temperatur linear auf etwa 1000 ºC (etwa 16 ºC/Minute lineare Steigerung von Raumtemperatur auf 1000 ºC in 1 Stunde) gesteigert wird. Bei einem Gasdruck von etwa 1333 Pa (10 Torr) und einer Flußrate von etwa 5 Standardlitern/Minute wird etwa 1 Stunde lang Pyrokohlenstoff aufgedampft. Die siliciumhaltigen Gase werden dann wie vorstehend beschrieben zugeführt, wodurch mit dem Aufdampfen des Siliciumcarbides begonnen wird.
  • Zum Aufdampfen des Siliciumcarbides wird das Teil gemäß folgendem Plan erhitzt:
  • Raumtemperatur T 1025 ºC - 8 ºC 1 Minute
  • 1025ºC T 1100ºC - 0,6 ºC/Minute
  • 1100 ºC für den Rest Laufzeit.
  • Die bevorzugte Gasflußrate des nichtoxidierenden Gases ist abhängig von der Größe der Brennkammer. Für eine 183 cm lange Kammer mit einem Durchmesser von 33 cm betrug der Druck bei 1025 ºC bevorzugt bis zu 1333 Pa (10 Torr) und dann wurde der Druck bei der höheren Temperatur von 1100ºC auf etwa 2666 Pa (20 Torr) erhöht. Der Fachmann wird einsehen, daß gegebenenfalls leichte Veränderung der Betriebsbedingungen während eines einige Stunden dauernden Laufes vorgenommen werden.
  • Nach dem Beschichten wird die Brennkammer mit einem Inertgas, wie Stickstoff, befüllt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, bevor die beschichteten Teile entnommen und geprüft werden.
  • Das Gesamtgewicht der Beschichtung betrug typischerweise etwa 15 Prozent Siliciumcarbid bis etwas 50 Prozent Siliciumcarbid (d.h. das endgültige beschichtete Teil bestand 15 bis 50 Gewichtsprozent aus Siliciumcarbid).
  • Bei Wärmeschock (d.h. Wärmebehandlung und anschließendes schnelles Quenchen), weist das effindungsgemäße Teil eher "Verbundwerkstoff"-Brucheigenschaften als "monolithische" Brucheigenschaften auf. Das monolithische Rohr zeigte erwartungsgemäß spröden Bruch und die darüberliegende Keramikfaser, Keramikmatrix-Schicht zeigte eine "rauhe" Bruchfläche, Merkmale eines Verbundwerkstoffbruches. Eine "rauhe" Bruchfläche ist charakteristisch für einen Verbundwerkstoff mit Fasern, die nicht miteinander oder mit dem Matrixmaterial verschmolzen sind. Die darüberliegende Faser-Siliciumcarbid-Schicht trägt zusätzlich zur Festigkeit des darunterliegenden Monoliths bei, was die erhöhten Temperaturen, die notwendig sind, um einen Wärmeschock zu verursachen, und die erhöhte Masse, die für einen Bruch erforderlich ist, beweisen.
  • Durch die folgenden Beispiele werden die Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung weiter veranschaulicht, sowohl die in diesen Beispielen aufgeführten besonderen Materialien und deren Mengen als auch andere Bedingungen und Details sollten jedoch nicht als unangemessene Beschränkung dieser Erfindung ausgelegt werden. Wenn nicht anders angegeben sind alle Teile und Prozentanteile auf das Gewicht bezogen.
    • Beispiel 1
  • Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung eines mit einer faserverstärkten Siliciumcarbidmatrix umwickelten Mullitrohres.
  • Ein Mullitrohr (0,95 cm Außendurchmesser, 0,635 cm Innendurchmesser, 61 cm Länge), erhalten von IPSEN CERAMICS, Pecatonica, Illinois, wurde mit einem 61 cm langen NEXTEL 312-Geflecht, Durchmesser 1,27 cm (0,5 inch), umhüllt. Um jedes Ende des Rohres wurde eine Länge Aluminiumborsilicatgarn (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 312" von der 3M COMPANY, St. Paul, MN) gewickelt, um dieses zu verschließen und die Ablagerung von SiC an der Innenseite des Rohres während des Beschichtungsvorganges zu verhindern. Das Geflecht wurde mit einer Phenolharzlösung auf Wasserbasis, welche mit Methanol in einem Verhältnis von 5:1 (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "BKUA-2370-UCAR", von UNION CARBIDE, Danbury, CT) verdünnt worden war, beschichtet. Das Phenolharz wurde langsam über das Geflecht gegossen, wodurch eine vollständige Bedeckung mit dem Phenolharz erreicht wurde. Das beschichtete Rohr wurde etwa 30 Minuten lang an der Luft getrocknet und dann 12 Minuten lang bei 200 ºC in einen Ofen plaziert, wodurch das Phenolharz gehärtet wurde. Von dem Harz zeigte das Rohr in diesem Moment eine goldene Farbe. Dann wurde das Rohr in die CVD-Brennkammer (33 cm (13 inch) Durchmesser × 138 cm (54 inch) Länge) gehängt und unter den folgenden Betriebsbedingungen mit SiC beschichtet.
  • So wurde die Zersetzung des Methyltrichlorsilans (MTS) insgesamt 7,5 Stunden bei einer Temperatur von 1100 ºC ausgeführt. Die Gesamtmenge an Siliciumcarbid betrug 30 Gewichtsprozent des Trägers (Rohr plus Fasergefiecht). Das beschichtete Rohr wurde aus der Brennkammer entnommen und geprüft.
  • Die Siliciumcarbidbeschichtung war schwarz gefärbt und hatte die Fasern anscheinend durchdrungen.
  • Mittels einer Diamantsäge wurden kleine Segmente (etwa 5 cm lang) des beschichteten Rohres abgesägt und in einem 3-Punkt-Biegeversuch (ASTM-Standard C 947-89, für glasfaserverstärkten Beton) geprüft. Ein unbeschichtetes, unbehandeltes Mullitrohr hält eine Last von 200 Pfund (90,9 kg) aus, bevor es bricht. Ein monolithisches Keramik/Faser-verstärktes keramisches Verbundwerkstoffrohr hält eine Last von 399 Pfund (181,4 kg) aus, bevor es bricht.
  • Dies macht deutlich, daß die faserverstärkte Siliciumcarbidmatrix zur Festigkeit des zugrundeliegenden Mullitrohres beiträgt.
  • Die Mullitrohrteile wurden in einer kleinen Laborbrennkammer von 600 ºC auf 900 ºC erhitzt und in 100-Grad-Intervallen auf Wärmeschockbeständigkeit geprüft, indem ein Stück schnell aus der Brennkammer entnommen und in etwa 1 Liter Wasser von Raumtemperatur eingetaucht wurde. Das Mullitrohr brach infolge des Wärmeschocks nach dem Erhitzen auf 900 ºC.
  • Stücke des Verbundwerkstoffteiles wurden von einem längeren Stück in Segmente von etwa 5 cm gesägt, dann von 600 auf 1100 ºC erhitzt und wie vorstehend beschrieben in Wasser eingetaucht. Die Prüfung wurde in 100-Grad-Intervallen durchgeführt. Bis zur Erhitzung des Teiles auf 1100 ºC fand kein Bruch statt. Dies verdeutlicht die gegenüber dem monolithischen Rohr verbesserte Bruchfestigkeit des erfindungsgemäßen Teiles.
    • Beispiel 2
  • Dieses Beispiel beschreibt eine mit der faserverstärkten Siliciumcarbidmatrix umwickelte Mullitrohrumhüllung mit engem Durchmesser.
  • Eine Thermoelementumhüllung (Mullitrohr 0,32 cm (1/8") Durchmesser x 183 cm (6 Fuß) lang, mit 6 engen Bohrungen von der Länge des Rohres, erhalten von MRL INDU- STRIES, Sonora, CA) wurde mit einem ungefähr 190 cm langen Stück einer geflochtenen Hülse aus Aluminiumborsilicat (Durchmesser 0,32 cm (1/8"), im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 550" von der 3M COMPANY) versehen. Das Geflecht war etwas länger als die Umhüllung, so daß die Enden nach dem Beschichten beschnitten werden konnten. Das Geflecht wurde mit einer Phenolharzlösung auf Wasserbasis, welche mit Methanol in einem Verhältnis von 5:1 ("BKUA-2370-UCAR") verdünnt war, beschichtet. Das Phenolharz wurde langsam über das Geflecht gegossen, wodurch eine vollständige Bedeckung mit dem Phenolharz erreicht wurde. Das beschichtete Rohr wurde etwa 30 Minuten lang an der Luft getrocknet. Dann wurde das Rohr in eine CVD-Brennkammer (etwa 30 cm (12 inch) × 305 cm (10 Fuß)) gehängt und unter den folgenden Betriebsbedingungen mit SiC beschichtet.
  • So wurde die Zersetzung des MTS insgesamt 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 1100 ºC ausgeführt. Das beschichtete Rohr wurde aus der Brennkammer entnommen und geprüft.
  • Die Siliciumcarbidbeschichtung war schwarz gefärbt und hatte die Fasern anscheinend durchdrungen.

Claims (11)

1. Keramik-Keramik-Verbundwerkstoffteil, umfassend einen geformten Keramikmonolith, darüber eine Keramikfasermatrix, auf der Matrix eine kohlenstoffhaltige Beschichtung und die Beschichtung überziehend eine Siliciumcarbidbeschichtung, wobei der geformte keramische Monolith aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem geformten Aluminiumoxidkeramikmonolith, einem geformten Mullitkeramikmonolith, einem geformten Siliciumcarbidkeramikmonolith und einem geformten Zirconiumdioxidkeramikmonolith besteht, die Keramikfasermatrix Keramikfasern umfaßt, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminiumborsilicatfasern, Aluminiumsilicatfasern, Aluminiumoxidfasern, Gemischen davon und Siliciumcarbidfasern besteht und das Teil mindestens 15 Gewichtsprozent des Siliciumcarbides umfaßt.
2. Teil gemäß Anspruch 1, wobei der Keramikmonolith die Form eines Hohlrohres hat.
3. Teil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Keramikfasermatrix zu einem Garn angeordnet ist.
4. Teil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Keramikfasermatrix geflochtenes, gestricktes oder gewebtes Garn umfaßt.
5. Teil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die kohlenstoffhaltige Beschichtung von einem Phenolharz abstammt.
6. Teil gemäß Anspruch 3, wobei das Garn einen Durchmesser von etwa 0,2 bis etwa 1,5 mm aufweist.
7. Teil gemäß Anspruch 3, wobei das Garn lagenweise verzwirnt ist.
8. Teil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Siliciumcarbid in einer Menge vorhanden ist, die etwa 50 bis etwa 75 Gewichtsprozent der Keramikfasermatrix entspricht.
9. Teil gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der geformte Keramikmonolith ein geformter Aluminiumoxidkeramikmonolith ist.
10. Teil gemäß der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Keramikformteil ein geformter Mullitkeramikmonolith ist.
11. Teil gemäß der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Teil 15 bis 50 Gewichtsprozent des Siliciumcarbides umfaßt.
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