DE69726604T3

DE69726604T3 - Reibungselement aus kohlenstoff/kohlenstoff-siliziumcarbid-verbundmaterial und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69726604T3
Application number: DE69726604T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Domergue; Jean-Michel Georges; Michel Laxague
Original assignee: SNECMA Propulsion Solide SA
Current assignee: Safran Landing Systems SAS
Priority date: 1996-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: US6221475B1; EP0956276B2; DE69726604D1; CN1237950A; JP2001505863A; CN1128773C; RU2201542C2; EP0956276A1; KR100512307B1; KR20000049126A; WO1998016484A1; EP0956276B8; ATE255545T1; CA2268516A1; EP0956276B1; CA2268516C; DE69726604T2; HK1023984A1; EP0835853A1; UA54452C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kohlenstoff/Kohlenstoff-Siliziumcarbid(C/C-SiC)-Verbundmaterial, d. h. aufweisend eine Kohlenstoff-Faserverstärkung, welche mit einer gemischten Matrix aus Kohlenstoff-Siliziumcarbid verdichtet ist, für Reibungselemente, wie z. B. Bremsscheiben und/oder Bremsblöcke.
Es ist bekannt, Reibungselemente aus Kohlenstoff/Kohlenstoff(C/C)-Verbundmaterial zu verwenden, welche durch Verarbeitung einer faserigen Vorform aus Kohlenstofffasern und Verdichtung der Vorform durch eine Kohlenstoffmatrix hergestellt werden.
Die Vorformen werden ausgearbeitet ausgehend von Filzen oder faserigen Basistexturen, z. B. Geweben, Geflechten, Wirkwaren, unidirektionalen Gelegen von Fäden, Strängen oder Seilen, oder aus Komplexen, die aus mehreren unidirektionalen Gelegen von Fäden, welche in unterschiedlichen Ausrichtungen übereinander gelagert sind und miteinander durch leichte Vernadelung verbunden sind. Zum Bearbeiten einer Vorform werden mehrere Lagen, welche aus Filz und/oder Basistexturschichten gebildet sind, übereinander gelagert und untereinander verbunden, bis die gewünschte Dicke erreicht ist. Die Verbindung kann durch Vernadelung hergestellt werden, welche einzeln auf jeder Lage verwirklicht wird, wie beispielsweise beschrieben in Dokument US-A-4 790 052 . Die verwendeten Filze oder Basistexturen sind aus Kohlenstofffasern oder aus einer Vorstufe zu Kohlenstoff, wobei im letzteren Fall wird die Umwandlung der Vorform durch Wärmebehandlung nach Bearbeiten der Vorform verwirklicht wird.
Die Verdichtung der Kohlenstoffmatrix wird durch chemische Infiltration in der Dampfphase oder mittels Flüssigkeit durchgeführt.
Die chemische Infiltration in der Dampfphase besteht aus dem Anordnen der Vorform in einem Behälter und Zuführen einer Gasphase in den Behälter, welche unter festgelegten Temperatur- und Druckbedingungen ins Innere der Vorform diffundiert und eine Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff auf den Fasern bildet. Die Gasphase weist gewöhnlicherweise ein oder mehrere Kohlenwasserstoffe auf, z. B. Methan, welche den pyrolytischen Kohlenstoff durch Zersetzung liefern.
Die Verdichtung mit Kohlenstoff mittels Flüssigkeit besteht aus dem Imprägnieren der Vorform mit einer Vorstufe des Kohlenstoffs in flüssigem Zustand, z. B. ein Harz mit einem Koksgehalt von ungleich null, und Umwandlung der Kohlenstoffvorstufe durch Wärmebehandlung.
Im Bereich der Bremstechnik werden C/C-Werkstoffe heutzutage für die Bremsscheiben von Flugzeugen verwendet, aber ihre Verwendung bei erdgebundenen Fahrzeugen ist auf Fahrzeuge für Wettbewerbe in der Formel 1 beschränkt.
Für diese Anwendungen werden C/C-Verbundwerkstoffe generell durch Verdichten einer Vorform mit einer Matrix aus pyrolytischem Kohlenstoff, die durch chemische Infiltration in der Dampfphase erzeugt wird, erhalten. Diese Prozesse sind jedoch lang und kostspielig und führen zu Herstellungspreisen, welche generell nicht vereinbar sind mit dem, was verlangt wird für Anwendungen in anderen Bereichen, wie z. B. Eisenbahnen oder Personen-Serienwagen. Außerdem sind in diesen anderen Anwendungen die Belastungen der Reibungselemente sehr unterschiedlich von jenen, welche bei Flugzeugen oder Wettbewerbsfahrzeugen der Formel 1 angetroffen werden. Obwohl diese Belastungen im Allgemeinen weniger stark sind, haben Versuche der Anmelderin eine gewisse Anzahl von Problemen offengelegt. So ergab sich, dass die Effizienz der Bremse abhängig von der Bremsintensität variiert und relativ schwach ist bei feuchten Bremsbedingungen. Außerdem ist die Abnutzung signifikant und führt zu einer unzulänglichen Betriebsdauer.
Um diese Probleme zumindest teilweise zu lösen, insbesondere um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Abnutzung zu erhöhen, wurde im Dokument EP-A-0 300 756 vorgeschlagen, Reibungselemente aus C/C-Verbundmaterial herzustellen, welches durch Verdichtung einer Vorform durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhalten wurde und einen abschließenden Schritt der Silifikation durch Imprägnieren mit geschmolzenem Silizium durchzuführen, welches mit dem Kohlenstoff der Matrix reagiert, um Siliziumcarbid (SiC) zu bilden.
Die Verfahren der chemischen Infiltration in der Dampfphase bleiben, wenngleich sie heutzutage die am meisten praktizierten Verfahren sind, relativ lang und kostspielig.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, Reibungselemente aus C/C-SiC-Verbundmaterial bereitzustellen, deren Kosten und Leistungsfähigkeit sie geeignet machen, als Bremsen von Eisenbahnen oder von Personen-Serienfahrzeugen oder Wettbewerbsfahrzeugen, oder auch von Nutzfahrzeugen oder industriellen Fahrzeugen, z. B. mit Schwergewicht.
Insbesondere hat die Erfindung das Ziel, Reibungselemente bereitzustellen, welche eine konstante und reproduzierbare Bremsleistung bieten, unter intensiven oder nicht-intensiven Bremsbedingungen und in einer trockenen oder feuchten Umgebung.
Die vorliegende Erfindung hat außerdem das Ziel, Bremselemente bereitzustellen, welche sich schwach abnutzen und geeignet sind, zur Reibung mit Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet zu werden.
Diese Ziele werden erreicht mittels eines Reibungselements mit mindestens einer Reibungsfläche und welches aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, welches eine Kohlenstoff-Faserverstärkung aufweist und eine Matrix mit mindestens einer Kohlenstoffphase und einer Phase aus Siliziumcarbid, ein Reibungselement, bei welchem mindestens benachbart zu der oder zu jeder Reibungsfläche das Verbundmaterial volumenmäßig aus:

– 15% bis 35% Kohlenstofffasern,
– 10% bis 55% erste Matrixphase, welche durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhaltenen Pyrokohlenstoff enthält, benachbart zu den Fasern der Faserverstärkung und eine durchgängige Beschichtung auf den Kohlenstofffasern bildend,
– 2% bis 30% zweite Matrixphase aus wärmebeständigem Material, erhalten mindestens zum Teil durch Pyrolyse einer flüssigen Vorstufe, und
– 10% bis 35% Matrixphase aus Siliziumcarbid

Ein derartiges Reibungselement kann eine Bremsscheibe bilden oder zumindest einen Reibungsflächenbelag einer Bremse, bei einer Eisenbahn-Scheibenbremse, einer Bremse für Personen-Serienfahrzeuge oder Fahrzeuge für Wettbewerbe, oder eine Bremse für industrielle Fahrzeuge oder Nutzfahrzeuge.
Pyrokohlenstoff-Phase bedeutet hier eine Phase aus pyrolytischem Kohlenstoff, welche durch chemische Infiltration in der Dampfphase unter Verwendung einer oder mehrerer gasförmiger Vorstufen von Kohlenstoff erhalten wird.
Wärmebeständige Phase bedeutet hier eine Phase aus Kohlenstoff oder Keramik.
Die durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhaltene Phase der Matrix bildet auf den Fasern eine durchgängige Beschichtung aus Pyrokohlenstoff mit konstanter Dicke, die mindestens anfangs nicht rissig ist, auf den Fasern einer Verstärkung. Dieser Pyrokohlenstoff kann durch vollständiges Umhüllen der Fasern diese während der Bildung der Matrixphase aus Siliziumcarbid schützen. Außerdem hat der durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhaltene Pyrokohlenstoff eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit und verleiht dem Verbundmaterial hinreichende thermomechanische Eigenschaften, welche insbesondere erlauben, die Funktion als Wärmesenke zu erfüllen, um durch Reibung erzeugte Wärme abzuleiten. Außer Pyrokohlenstoff kann die erste Phase der Matrix eine oder mehrere Schichten aufweisen, welche in der Lage sind, den Pyrokohlenstoff sowie die darunter liegenden Fasern gegen Oxidation zu schützen. Ein Material zum Schutz vor Oxidation, welches durch chemische Infiltration in der Dampfphase abgelagert werden kann, ist das Siliziumcarbid, ein ternäres Si-B-C-System oder Borcarbid. Dieses Material kann gewählt werden aus den Vorstufen zu selbst versiegelndem Glas, d. h. geeignet, nach Oxidation ein Glas zu bilden, welches beim Übergang in den teigartigen Zustand bei der Betriebstemperatur des Reibungselements Risse abdichtet, welche in der ersten Phase der Matrix auftreten.
Verschiedene Verfahren können angewendet werden, um die chemische Infiltration in der Dampfphase durchzuführen, insbesondere isobare-isotherme Verfahren, Verfahren mit Temperaturgradient, Verfahren mit Druckgradient oder Verfahren mit Dampffilm. Verfahren mit Temperaturgradient können durch induktive Kopplung zwischen einem Induktor und einem Induktionsmittel durchgeführt werden, welches auf einer Seite der zu verdichtenden Vorform angeordnet ist oder durch direkte Kopplung zwischen einem Induktor und der Vorform. Die isothermen Verfahren und mit Druckgradient können durch Erzwingen eines Durchstroms der Matrix mit der Vorstufen-Gasphase durchgeführt werden, entweder mit gesteuerter Strömung unter isobaren Verhältnissen, wie in der französischen Patentanmeldung 2 733 254 beschrieben, oder mit erzwungener Strömung, wie in der internationalen Patentanmeldung WO 96/15288 beschrieben. Die Verfahren mit Dampffilm bestehen aus dem Eintauchen der Vorform in ein Bad und dem Erhitzen der Vorform bis zu einer Temperatur, bei welcher sich ein Dampffilm der Vorstufe in Kontakt mit der Vorform bildet, die Infiltration also in der Dampfphase stattfindet, wie z. B. beschrieben in dem Patent US 4 472 454 .
Die zweite Phase der Matrix aus Kohlenstoff oder Keramik kann gebildet wer-den durch ein Harz-Koks oder ein Teer-Koks oder durch einen keramischen Rückstand der Pyrolyse einer Keramik-Vorstufe. Die Kohlenstoff-Vorstufenharze im flüssigen Zustand werden z. B. aus den duroplastischen Harzen, wie z. B. Phenolharze, Furanharze oder Epoxidharze, den thermoplastischen Harzen, den Teeren oder Kombinationen aus ihnen gewählt. Die Keramik-Vorstufen im flüssigen Zustand sind z. B. Polycarbosilan-Harze oder Polysilazan-Harze oder Kombinationen aus ihnen. Eine mittels Flüssigkeit erhaltene Matrixphase, wie z. B. ein Harz-Koks, weisen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Dies ermöglicht es, von Beginn des Bremsens an eine örtlich relativ erhöhte Temperatur an der Reibfläche zu erreichen. Die C/C-SiC-Verbundmateriallien weisen aber, falls sie bei Reibung verwendet werden, einen Reibungskoeffizienten auf, der bei Kälte relativ schwach ist und bei Wärme höher ist. Ein rascher Übergang zu einem erhöhten Reibungskoeffizienten ermöglicht daher eine gute Bremseffizienz von sehr niedrigen Geschwindigkeiten an, wie auch unter feuchten Bremsbedingungen zu erreichen. Außerdem bildet die mittels Flüssigkeit erhaltene wärmebeständige Phase nur einen Teil der Matrix, der nicht in Kontakt mit den Fasern ist und nicht auf unannehmbare Weise die Funktion als Wärmesenke beeinträchtigt. Ferner präsentiert sich die zweite Phase der Matrix als Häufung von Kohlenstoff oder Keramik, welche sich im Inneren der Poren befinden, die nach Bildung der ersten Phase der Matrix bestehen. Daraus resultiert eine gesteigert Wahrscheinlichkeit, die Porosität durch das Siliziumcarbid der letzten Phase der Matrix zu verschließen. Dieses Verschließen der Porosität ermöglicht es, den Einfluss einer feuchten Umgebung auf die tribologischen Eigenschaften zu vermeiden.
Es ist möglich, die zweite Phase der Matrix teilweise aus Feststoffen zu bilden, z. B. ein Pulver aus Kohlenstoff oder ein Pulver aus Keramik oder ein Pulver aus Material zum Oxidationsschutz. Die Feststoffe können in Suspension in der Vorstufenflüssigkeit eingebracht werden.
Die Matrixphase aus Siliziumcarbid ist wirkungsvoll für die Verringerung der Abnutzung. Sie verleiht dem Verbundmaterial insbesondere eine gesteigerte Härte, die es ermöglicht, zur Reibung eine große Auswahl unterschiedlicher Materialien zu verbinden. Außerdem ermöglicht die Gegenwart von SiC im Trockenen eine Effizienz von niedrigsten Bremsenergien an zu erreichen. Ferner weist SiC eine gesteigerte Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation auf, durch Bilden einer Barriere gegenüber dem Sauerstoff der Umgebung im Inneren des Verbundmaterials und durch Verschließen der Porosität, mindestens zu einem großen Teil.
Entsprechend einer Besonderheit des erfindungsgemäßen Reibungselements weist die Matrix eine Phase aus Siliziumcarbid auf, welche nur bis zu einer begrenzten Tiefe ab der oder ab jeder Reibungsfläche vorhanden sein kann.
Falls das Reibungselement also eine Bremsscheibe ist, welche einen Kern oder mindestens einen Reibungsbereich oder Abnutzungsbereich mit einer Reibungsfläche aufweist, kann der Kern der Scheibe mindestens teilweise aus Verbundmaterial gebildet sein, in welchem die Matrix keine Phase aus Siliziumcarbid enthält. Ferner verleiht das Fehlen der Phase aus Siliziumcarbid dem Kern eine geringere Steifigkeit und bewahrt gute mechanische Eigenschaften des Kerns der Scheibe für eine Aufnahme der Bremskräfte, welche generell durch mechanische Verbindung des inneren oder äußeren Kranzes des Kerns übertragen werden.
Es ist außerdem möglich, ein erfindungsgemäßes Reibungselement in Form eines Reibungsbelags oder Abnutzungsbelags, welcher auf einem metallischen Scheibenkern fixiert ist, herzustellen. Der Reibungsbelag kann eine Phase aus Siliziumcarbid über seine gesamte Dicke oder über eine begrenzte Tiefe ab der Reibungsfläche aufweisen.
Gemäß einem weiten Aspekt hat die Erfindung auch das Ziel, ein Herstellungsverfahren eines Reibungselements aus C/C-SiC-Verbundmaterial herzustellen, ein Verfahren des Typs, welcher die Bearbeitung einer Vorform aus Kohlenstofffasern aufweist, welche eine zugängliche, interne Porosität aufweisen und die Verdichtung der Vorform mit einer Matrix mit mindestens einer Kohlenstoffphase und einer Siliziumcarbidphase.
Erfindungsgemäß weist die Verdichtung der Vorform auf: einen ersten Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase, um zwischen 10% und 55% des Volumens der Vorform mit einer ersten Phase der Matrix zu füllen, welche Pyrokohlenstoff enthält, und eine durchgängige Beschichtung auf den Kohlenstofffasern bildet; eine zweite Phase der Verdichtung durch Imprägnieren der teilweise verdichteten Vorform mit einer Zusammensetzung, welche eine Vorstufe des wärmebeständigen Materials im flüssigen Zustand enthält und Umwandlung der Vorstufe durch Wärmebehandlung; und einen dritten Schritt der Bildung einer Matrixphase aus Siliziumcarbid mindestens benachbart zu einer oder zu jeder Reibungsfläche.
Gemäß einer Besonderheit des Verfahrens kann während des ersten Schritts der Verdichtung durch chemische Infiltration in der Dampfphase eine erste Matrixphase gebildet werden, welche Pyrokohlenstoff und mindestens eine Schicht mit Material zum Schutz vor Oxidation enthält.
Gemäß einer weiteren Besonderheit des Verfahrens wird der zweite Schritt durchgeführt durch Imprägnieren der teilweise verdichteten Vorform mit einer Zusammensetzung, welche eine Vorstufe in flüssigem Zustand enthält, welche zumindest eine der Verbindungen enthält, die ausgewählt sind aus den Harzen und Teeren, welche bei Pyrolyse einen Kohlenstoffrückstand liefern, und den Harzen, welche bei Pyrolyse einen Keramikrückstand liefern. Die Zusammensetzung kann auch Feststoffe in Suspension enthalten, wie z. B. Kohlenstoffpulver, Keramikpulver oder Pulver aus Material zum Oxidationsschutz.
Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung wird eine Wärmebehandlung bei hoher Temperatur nach dem zweiten Verdichtungsschritt und vor Bildung der Matrixphase aus Siliziumcarbid durchgeführt. Diese Wärmebehandlung, welche bei einer Temperatur zwischen ca. 1800°C und ca. 2850°C durchgeführt wird, ermöglicht es, die thermischen Eigenschaften des endgültigen Materials zu verbessern, besonders die Wärmeleitfähigkeit, und das insbesondere, wenn die zweite Matrixphase aus Kohlenstoff ist.
Die Matrixphase aus Siliziumcarbid kann auf verschiedene Weisen gebildet werden:

– Silifikation durch Einbringen von Silizium im geschmolzenen Zustand und Reaktion desselben mit Kohlenstoff von mindestens einer der beiden ersten Matrixphasen;
– Silifikation durch Infiltration mit einem Silizium-tragenden Gas oder durch Siliziumdampf bei hoher Temperatur, üblicherweise über 1800°C;
– Silifikation durch Einbringen von Feststoffen in Form von Siliziumpulver und Wärmebehandlung, um eine Reaktion des Siiliciums mit Kohlenstoff der Matrix zu bewirken;
– chemische Infiltration in der Dampfphase; oder
– Einbringen von Feststoffen in Form von Siliziumcarbidpulver in Suspension in einer Flüssigkeit, welche ins Innere der teilweise verdichteten Vorform eindringt.

Im Fall der Silifikation, welche vorzugsweise bei mehreren verdichteten Vorformen gleichzeitig durchgeführt wird, wobei mehrere verdichtete Vorformen abwechselnd mit Siliziumquellen angeordnet werden, welche eine mehrheitliche Phase auf Siliziumbasis aufweisen und eine minderheitliche Phase, die geeignet ist, eine Struktur zum Zurückhalten und Drainieren schmelzenden Siliziums zu bilden, und wobei erwärmt wird auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Siliziums, derart, dass das geschmolzene Silizium von jeder Quelle aus ins Innere der oder ins Innere jeder verdichteten Vorform wandern kann. Ein solches Verfahren zur Silifikation ist in der französischen Patentanmeldung Nr. 95 13 458 vom 14. November 1995 im Namen der Anmelderin beschrieben.
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, eine Steuerung des Silifikationsgrads zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird die Menge von Silizium, welche in eine verdichtete Vorform durch eine oder durch jede Reibungsfläche hindurch eingebracht wird, in Abhängigkeit einer gewünschten Tiefe der Silifikation bestimmt, derart, dass eine Matrixphase aus Siliziumcarbid über eine begrenzte Tiefe ab einer oder ab jeder Reibungsfläche gebildet wird.
Die Ausführungsformen werden nun beispielhaft, aber nicht einschränkend, detailliert beschrieben. Es wird auf die angehängten Zeichnungen Bezug genommen:
1 zeigt die aufeinander folgenden Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2A, 2B und 2C sind sehr schematische Ansichten der Mikrostruktur des Verbundmaterials bei verschiedenen Schritten der Herstellung eines Reibungselements; und
3 und 4 zeigen Kurven, welche die Variation des Reibungskoeffizienten über die Zeit bei Tests eines erfindungsgemäßen Reibungselements für verschiedene Gleitgeschwindigkeiten, verschiedene Bremsdrücke und in trockener und feuchter Umgebung zeigen.
In der folgenden Beschreibung wird insbesondere die Herstellung eines Reibungselements in Gestalt einer Bremsscheibe aus C/C-SiC-Verbundmaterial betrachtet, wobei es sich versteht, dass andere Typen von Reibungselementen aus dem gleichen Material hergestellt werden können, wie z. B. Bremsblöcke und Reibungsbeläge, welche aus einer oder auf beiden Flächen von Scheibenkernen mit einer oder zwei Reibungsflächen befestigt werden.
Die Herstellung einer Bremsscheibe weist auf (1):

– die Ausarbeitung einer ringartigen Vorform 10 aus Kohlenstofffasern,
– einen ersten partiellen Verdichtungsschritt der Vorform durch eine Matrixphase, mindestens teilweise aus Pyrokohlenstoff, welche durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhalten wird,
– einen zweiten partiellen Verdichtungsschritt durch eine Matrixphase aus Kohlenstoff oder Keramik, welche zumindest teilweise mittels Flüssigkeit erhalten wird,
– einen Schritt der Bildung einer Matrixphase aus Siliziumcarbid, und
– einen abschließenden Schritt des Bearbeitens der Scheibe zu ihren endgültigen Ausmaßen.

Die faserartige Vorform 10 wird ausgearbeitet durch Übereinanderlagern von Schichten oder Lagen einer faserigen Textur 12 oder mehrerer unterschiedlicher Texturen, und Verbinden der Schichten untereinander durch Vernadeln. Die faserartige Textur 12 kann gebildet werden aus einem Filz, einem Gewebe, einer Wirkware, einem unidirektionalen Gelege von Fäden, Seilen oder Strängen, oder aus einem Komplex, welcher aus mehreren in unterschiedlicher Richtung übereinander gelagerten und durch leichtes Vernadeln untereinander verbundenen unidirektionalen Gelegen von Fäden gebildet ist. Die unterschiedlichen Lagen oder Schichten werden geschichtet und miteinander vernadelt, wie insbesondere im Dokument US-A-4 790 052 beschrieben, wobei jedes Hindurchführen der Vernadelung mit angemessener konstanter Oberflächendichte der Nadelstiche und Eindringtiefe der Nadeln durchgeführt wird, um eine angemessene gleichförmige volumenmäßig Dichte der Vernadelung zu erreichen. Das Schichten und die Vernadelung der Lagen oder Schichten wird durchgeführt, bis eine gewünschte Dicke der Vorform erreicht wird.
Die faserartige Textur 12 ist aus Kohlenstofffasern oder Fasern aus Kohlenstoff-Vorstufe, z. B. Fasern aus voroxidiertem Polyacrylnitril. Im letzteren Fall wird die Umwandlung der Kohlenstoff-Vorstufe durch Wärmebehandlung durchgeführt, welche auf die faserartige Textur vor oder nach Bearbeiten der Vorform angewendet wird.
Eine ringförmige Vorform kann durch Schichten und Vernadeln von ebenen Schichten und Zuschneiden der Vorform mit einem Locheisen am Ende des Vernadelungsprozesses erhalten werden. Es ist auch möglich, ringförmige, vorgeschnittene Schichten zu verwenden. Diese Verfahren sind bekannt, so dass es nicht nötig ist, sie hier detailliert zu beschreiben.
Der volumenmäßige Anteil der Kohlenstofffasern in der Vorform ist vorzugsweise im Mittel zwischen ca. 15 und 35%. Er hängt ab von dem Anteil der Beschichtung der verwendeten faserartigen Textur und dem Grad des Vernadelns, die einen Effekt des Zusammendrückens der faserartigen Vorform bewirkt. Volumenmäßiger Anteil der Fasern bedeutet hier den Anteil an Volumen der Vorform, der effektiv von Fasern besetzt ist. Es sei angemerkt, dass der Volumenanteil der Fasern benachbart zu den Reibungsflächen sehr schwach sein kann, z. B. kann er auf bis zu 10% herabgesetzt sein, im Gegensatz zum Teil der Vorform, der dem Kern der Scheibe entspricht. Ein zu niedriger Volumenanteil der Fasern im Kern der Scheibe verschlechtert die Funktion der Faserverstärkung, also die mechanischen Eigenschaften des Kerns der erhaltenen Scheibe aus Verbundmaterial, und ein zu hoher Volumenanteil der Fasern führt zu einer schlechteren Porosität für die Verdichtung. Die Vorform weist daher eine interne Porosität zwischen 65% und 85% Volumenanteil auf, und auf Grund der Art der Ausarbeitung ist diese Porosität insbesondere offen, d. h. von außen zugänglich.
Vor dem ersten Verdichtungsschritt können Feststoffe in die Vorform eingebracht werden, um ca. zwischen 2 und 10 Vol.-% der Vorform zu belegen. Diese Festtoffe sind in Form von wärmebeständigem Pulver, d. h. Kohlenstoffpulver oder Keramikpulver.
Der erste Verdichtungsschritt wird durchgeführt durch Platzieren der Vorform in einem Behälter einer Vorrichtung zur chemischen Infiltration in der Dampfphase durch isotherme-isobare Prozesse. Eine reaktive Gasphase wird in den Behälter eingebracht, wo Druck- und Temperaturverhältnisse eingestellt werden, welche die Diffusion der Gasphase ins Innere der Porosität der Vorform und die Ablagerung des Matrixmaterials auf den Fasern durch Reaktion der Gasphase in Kontakt mit der Oberfläche der Fasern fördern. Eine Ablagerung von pyrolytischem Kohlenstoff wird überlicherweise erhalten durch eine Gasphase, welche einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe aufweist, z. B. Methan. Die Temperatur im Behälter wird typischerweise bei einem Wert zwischen 950°C und 1150°C gehalten, und der Druck zwischen 1 kPa und 3 kPa.
Vorzugsweise werden mehrere ringförmige Vorformen in der Kammer der Vorrichtung zur chemischen Infiltration in der Gasphase zur gleichzeitigen Behandlung angeordnet. Ein Beispiel des Beladens mit mehreren Vorformen in Stapeln mit gesteuerter Strömung der Gasphase ist in der bereits zitierten französischen Patentanmeldung Nr. 2 733 254 beschrieben.
Wie bereits erwähnt, können andere Prozesse zur chemischen Infiltration in der Gasphase verwendet werden, z. B. Prozesse mit Temperaturgradient, wie z. B. mit Erhitzen der Vorform durch direkte induktive Kopplung, Verfahren mit Druckgradient oder Verfahren mit Dampffilm.
Die chemische Infiltration der Dampfphase führt zur Bildung einer durchgängigen Beschichtung 15 aus durchgängigem Kohlenstoff, welcher die einzelnen Fasern 14 umgibt (2A). Diese erste Phase der Verdichtung der Vorform wird durchgeführt, bis zwischen ca. 10% und 55% des Volumens der Vorform mit Pyrokohlenstoff aufgefüllt sind. Die Menge an auf den Fasern abgelagertem Pyrokohlenstoff muss letztlich ausreichend sein, um der Scheibe die Wärmeleitfähigkeit zu verleihen, welche notwendig ist, um die Funktionen als Wärmesenke und als mechanischer Halt zu gewährleisten. Vor allem muss die Menge des abgelagerten Pyrokohlenstoffs begrenzt bleiben, um eine ausreichende Porosität für die Vervollständigung der Verdichtung übrig zu lassen.
Ein erster Verdichtungsschritt kann auch die Bildung einer oder mehrerer Schichten aus Material zum Oxidationsschutz aufweisen, wobei der Pyrokohlenstoff oder Zwischenschicht(en) mit Schichten aus Pyrokohlenstoff wieder bedeckt wird. Das Material zum Oxidationsschutz, welches durch chemische Infiltration in der Dampfphase abgelagert wird, an Siliziumcarbid, Borcarbid oder eine ternäre Si-B-C-Verbindung sein. Vorzugsweise wird ein Material gewählt, welches in einer oxidierenden Umgebung fähig ist, ein selbst versiegelndes Glas bei der Betriebstemperatur der Bremsscheibe zu bilden.
Der zweite Verdichtungsschritt wird mittels Flüssigkeit durchgeführt, wobei die teilweise verdichtete Vorform mit einer Vorstufe von Kohlenstoff oder Keramik in flüssigem Zustand imprägniert und durch Wärmebehandlung umgewandelt wird.
Eine Kohlenstoff-Vorstufe ist typischerweise ein Harz mit einem Anteil an Koks, welcher größer null ist (der Anteil von Koks ist der Prozentsatz des Kohlenstoff-Rückstands, welcher nach Carbonisierung erhalten wird in Bezug auf die ursprüngliche Masse des Harzes), oder auch ein Teer. Zur Verwendung geeignete Harze sind insbesondere duroplastische Harze, wie z. B. Phenol-, Furan- und Epoxidharze, thermoplastische Harze, Teere oder Kombinationen aus ihnen. Eine Keramikvorstufe ist typischerweise ein Harz, wie z. B. Polycarbosilan- oder Polysilazan-Harze oder Kombinationen aus ihnen.
Die Imprägnierung wird beispielsweise durchgeführt durch Eintauchen der Vorform in ein Bad mit einer Imprägnierungsverbindung, welche aus dem Harz und eventuell zusätzlich einem Lösungsmittel gebildet ist. Die Imprägnierung kann unter Druck oder unter Vakuum durchgeführt werden, um das Eindringen der Imprägnierungsverbindung bis zum Inneren der verbleibenden Porosität der Vorform zu unterstützen. Die imprägnierte Vorform wird nach Vernetzung des Harzes dann getrocknet und einer Pyrolysebehandlung unterzogen, wobei diese bei einer Temperatur von ca. 900°C bis 1000°C durchgeführt wird.
Der zweite Verdichtungsschritt wird in einem oder mehreren aufeinander folgenden Zyklen aus Imprägnieren-Carbonisation durchgeführt, um ca. zwischen 4% und 40% des Volumens der Vorform durch die wärmebeständige Matrixphase zu füllen. Die mittels Flüssigkeit erhaltene Menge von Kohlenstoff oder Keramik muss letztlich ausreichend sein, um im fertigen Verbundmaterial eine wärmebeständige Matrixphase mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zu haben, welche einen schnellen Übergang zu einem erhöhten Reibungskoeffizienten unterstützt. Vor allem muss eine ausreichende, interne, zugängliche Porosität verbleiben, um das bilden einer Matrixphase aus Siliziumcarbid zu ermöglichen.
Im dargestellten Beispiel ist das mittels Flüssigkeit erhaltene wärmebeständige Material aus Kohlenstoff. Es stellt sich in Form einer Häufung von Koks aus Harz oder Teer dar, welche in den Poren 17 der teilweise verdichteten Vorform vorhanden ist (2E).
Während des zweiten Verdichtungsschritts können Feststoffe in Suspension in der Vorstufenflüssigkeit eingebracht werden. Solche Feststoffe bestehen beispielsweise aus einem Kohlenstoffpulver, einem Keramikpulver oder einem Pulver aus Material zum Schutz vor Oxidation, z. B. eine Vorstufe eines selbst versiegelnden Glases.
Eine thermische Behandlung bei einer Temperatur zwischen ca. 1800°C und 2850°C kann direkt nach Bildung der zweiten Matrixphase durchgeführt werden, vor allem, falls diese aus Kohlenstoff ist, um die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu verbessern.
Die Matrixphase aus Siliziumcarbid kann durch Silifikation der Vorform erhalten werden, d. h. durch Einbringen von geschmolzenem Silizium oder in Form von Dampf ins Innere der verbleibenden, zugänglichen Porosität und Reaktion des Siliziums mit dem Pyrokohlenstoff der ersten Matrixphase und mit dem Kohlenstoff der zweiten Matrixphase. Verschiedene bekannte Techniken der Silifikation können verwendet werden, z. B. durch Eintauchen in ein Bad mit geschmolzenem Silizium oder durch Verbinden der verdichteten Vorform mit einem Bad mit geschmolzenem Silizium durch einen Abfluss, welcher das Silizium zur Vorform durch Kapillarität bringt.
Vorzugsweise verwendet man einen Stapel-Silifikationsprozess des Typs, der in der französischen Patentanmeldung Nr. 9 513 458 , bereits zitiert, beschrieben ist. Mehrere verdichtete Vorformen 10' sind mit zwischengeschichteten Siliziumquellen 18 übereinander gelagert, wobei die Siliziumquellen zwischen den Vorformen 10' und auch an den Stapelenden angeordnet sind. Die Siliziumquellen 18 bestehen aus einer mehrheitlichen Phase aus Silizium, bzw. mit Siliziumbasis, z. B. in Form von Pulver, und einer minderheitlichen Phase, welche geeignet ist, eine Struktur zum Zurückhalten und Drainieren des geschmolzenen Siliziums zu bilden. Die minderheitliche Phase ist z. B. eine rigide zellenartige Struktur, wie eine Bienenwabenstruktur 18a, deren Zellen mit Siliziumpulver 18b gefüllt sind. Als Variante kann die minderheitliche Phase aus einem dreidimensionalen Netz mit starker Porosität bestehen, wie z. B. ein aus kurzen Fasern gebildeter Filz, oder eine nicht-rigide zellenartige Struktur, wie ein Schaum, wobei sich die minderhaitliche Phase im gesamten Volumen der Siliziumquelle erstreckt.
Die Behandlung zur Silifikation wird durchgeführt, indem der Stapel der Vorformen 10' und Siliziumquellen 18 auf eine Temperatur gebracht wird, die z. B. zwischen 1410°C und 1600°C beträgt, unter Unterdruck, z. B. unterhalb von 50 kPa und unter neutraler Atmosphäre, z. B. unter Argon oder unter Vakuum. Wenn das in den Quellen 18 enthaltene Silizium seinen Schmelzpunkt erreicht, wandert es zu den benachbarten Vorformen durch Durchqueren ihrer mit den Quellen 18 in Kontakt befindlichen Oberflächen. Von einer Quelle 18 aus erfolgt diese Migration durch Schwerkraft zu einer unten liegenden Vorform 10' und durch Kapillarkraft zur einer oben liegenden Vorform 10'.
Das geschmolzene Silizium, welches in die verbleibende Porosität der verdichteten Vorformen 10' einwandert, bildet Siliziumcarbid (SiC) 19 durch Reaktion mit Kohlenstoff, mit sowohl dem Pyrokohlenstoff 15 als auch mit dem 16 mittels Flüssigkeit erhaltenen (2C). Eine Siliziumcarbidschicht wird somit im Innersten der verdichteten Vorform gebildet, wobei die Porosität derselben nicht verstopft ist. Diese Schicht, entsprechend der verbleibenden Porosität der verdichteten Vorform vor Silifikation, kann eine Dicke von einigen Mikrometern bis über 10 μm haben, wenn die Sliciumquelle ausreichend ist. Auf diese Weise wird die erhaltene Scheibe mit einem internen Oxidationsschutz versehen, da das Siliziumcarbid 19 eine Barriere gegenüber dem Sauerstoff aus der Umgebung bildet. Außerdem verleiht das Siliziumcarbid der Scheibe Härte und Widerstand gegen Abnutzung um die Reibungsflächen der Scheibe herum. Es wird auch angemerkt, dass durch Reaktion des Siliziums mit Pyrokohlenstoff, welcher die Oberfläche der Poren 17 bedeckt, wie auch mit Kohlenstoffkörnern 16, welche diese Poren teilweise besetzen, das erhaltene Siliziumcarbid 19 zu einer zumindest teilweisen Verschließung der Poren führt, also zu einer Verdichtung des Verbundmaterials. Das führt zu einem geringeren Einfluss durch eine feuchte Umgebung.
Die erhaltene Scheibe 20 wird zu ihren endgültigen Ausmaßen verarbeitet, vor allem durch Abschleifen ihrer Reibungsfläche oder Reibungsflächen und Ausbilden von Einschnitten an ihrem Rand oder auf dem Inneren ihrer Oberfläche (nicht dargestellt), welche das Befestigen der Scheibe 20 mit einem Element ermöglichen, mit welchem sie sich gemeinsam dreht.
Es wird angemerkt, dass das Bearbeiten der Scheibe vor der Silifikation durchgeführt werden kann. Die Oberflächen der verwendeten Siliziumquellen 18 haben daher Formen, welche komplementär zu denen der Flächen der Scheiben sind.
Die Behandlung zur Silifikation wird durchgeführt, so dass zwischen 10 und 35 Vol.-% der verdichteten Vorform mit Siliziumcarbid gefüllt sind. Die verbleibende Porosität der verdichteten Vorform wird vorzugsweise auf einen Wert von unter 10 Vol.-% nach der Silifikation reduziert.
Die erhaltene Scheibe 20 enthält daher volumenmäßig:

– 15 bis 35% Kohlenstofffasern,
– 5% bis 45% durch chemische Infiltration in der Dampfphase gebildeten Pyrokohlenstoff, welcher nicht zu Siliziumcarbid umgewandelt wurde,
– 2% bis 30% mittels Flüssigkeit erhaltener Kohlenstoff, welcher nicht zu Siliziumcarbid umgewandelt wurde, und
– 10% bis 35% Siliziumcarbid.

Ein derartiges Material hat eine sehr geringe Dichte, zwischen 1600 und 2100 kg/m³, ein Wärmeausdehnungskoeffizient von 2 × 10^–6/K und eine bessere Wärmeleitfähigkeit als die von Stahl. Außerdem sind die Reibungsniveaus konstant und reproduzierbar, ohne große Diskontinuität und ohne bedeutsame Einflüsse von Umweltbedingungen, wie aus den folgenden Beispielen folgt.
Auch wenn oben eine Silifikation der verdichteten Vorform bis zu ihrem Innersten vorgesehen wurde, könnte es vorteilhaft sein, die Tiefe der Silifikation von der Reibungsfläche aus zu begrenzen. Diese Begrenzung wird erhalten durch Verwenden von Quellen, welche eine unzureichende Menge von Silizium für eine vollständige Silifikation enthalten. Das Defizit an Silizium wird in Abhängigkeit der gewünschten Tiefe der Silifikation bestimmt. Man kann daher Scheiben, wie z. B. 20' (1) erhalten, bei welchen die Reibungsbereiche oder Abnützungsbereiche, 21'A und 21'B, silifiziert sind, wohingegen der Kern der Scheibe 22' kein Siliziumcarbid aufweist, zumindest in seinem zentralen Bereich. Das Siliziumcarbid verleiht die gewünschten Eigenschaften der Härte und des Widerstands gegenüber Abnutzung, wie auch die Verringerung der verbleibenden Porosität an dem Abnutzungsbereichen, wohingegen die Abwesenheit von Siliziumcarbid zumin dest in einem bedeutenden Teil des Kerns die Funktion als Wärmesenke und die mechanische Festigkeit unterstützt. Effektiv bindet eine niedrigere Steifigkeit des Kerns eine bessere Übertragung der Kräfte zwischen der Scheibe und dem drehenden oder festen Bereich, mit welchem sie im Allgemeinen über Einschnitte verbunden ist, welche entlang dem inneren oder äußeren Kranz des Kerns gemacht sind.
Oben stehend wurde eine Bildung der Matrixphase aus Siliziumcarbid durch Silifikation durch Einbringen von Silizium im geschmolzenen Zustand beschrieben. Andere Verfahren zur Ausarbeitung einer solchen Matrixphase sind jedoch vorstellbar, wie die Silifikation durch Silizium, welches in Gasform eingebracht wird, die Silifikation durch Silizium, welches in Form von Pulver eingebracht wurde, mit anschließender Wärmebehandlung, durch chemische Infiltration in der Dampfphase und durch Einfügen von Siliziumcarbidfeststoffen.
Die chemische Infiltration in der Dampfphase ist ein bekanntes Verfahren, wobei die gasförmige Vorstufe im Allgemeinen Methyltrichlorosilan (MTS) ist. Die Verfahrenkönnen und isothermen-isobaren Bedingungen durchgeführt werden, mit Temperaturgradient oder mit Druckgradient. Bei Temperaturgradient-Verfahren kann das Erhitzen der verdichteten Vorform durch direkte Kopplung zwischen der Vorform und einem Induktor verwirklicht werden.
Das Einfügen von Feststoffen kann verwirklicht werden durch Imprägnierung mit einer Suspension von Siliziumcarbidpulver in einer Flüssigkeit unter Vakuum. Sie kann durch einen abschließenden Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase vervollständigt werden.
Im Fall der chemischen Infiltration in der Dampfphase und Einbringen von Feststoffen gibt es keine Reaktion mit Pyrokohlenstoff oder Kohlenstoff, welcher eventuell die wärmebeständige Phase bilde, derart, dass im fertigen Verbundmaterial die Mengen an Kohlenstoff aufgefunden werden, welche während des ersten und zweiten Verdichtungsschritts abgelagert wurden.
BEISPIEL 1
Scheiben und Blöcke für Scheibenbremsen für ein Eisenbahnfahrzeug werden auf folgende Weise verwirklicht:
Die faserartigen Vorformen werden durch Vernadeln von übereinander gelagerten Filzschichten aus Kohlenstoff und Zurechtschneiden der Vorformen ausgearbeitet, um ringförmige Vorformen von Scheiben mit einer Dichte von 60 mm, einem Innendurchmesser von 235 mm und einem Außendurchmesser von 660 mm und quaderförmige Vorformen von Blöcken mit den Ausmaßen 15 mm × 8 mm × 40 mm zu erhalten. Der Volumenanteil der Fasern in den Vorformen ist 25%.
Ein erster Verdichtungsschritt der Vorformen durch chemische Infiltration in der Dampfphase wird mit einer Gasphase durchgeführt, die aus einem Gemisch aus Erdgas und Propan besteht, wobei die Temperatur bei ca. 1000°C und der Druck bei ca. 1,3 kPa gehalten wird. Die chemische Infiltration in der Dampfphase wird durchgeführt, bis 42 Vol.-% der Vorformen durch Pyrokohlenstoff gefüllt sind.
Die teilweise verdichten Vorformen werden mit einem Furanharz imprägniert, anschließend wärmebehandelt, zum Ausbilden einer zweiten Matrixphase aus Harz-Koks. Das Imprägnieren wird unter Vakuum durch Eintauchen in ein Harz-Bad durchgeführt. Nach Trocknen und Vernetzen des Harzes wird dieses bei einer Temperatur von 900°C carbonisiert. Die Imprägnierung durch Harz wird so durchgeführt, dass ein Harz-Koks, welches 17 Vol.-% der Vorformen füllt, erhalten wird.
Die so durch Kohlenstoff verdichteten Vorformen weisen eine verbleibende zugängliche Porosität von ca. 16 Vol.-% auf.
Nach Bearbeiten der verdichteten Vorformen wird die Silifikation durch das Stapel-Silifikationsverfahren durchgeführt, welches in der bereits erwähnten französischen Patentanmeldung Nr. 95 13 458 beschrieben ist.
Die Menge des geschmolzenen Siliziums, welches in die verdichteten Vorformen eingebracht wird, wird so gewählt, um eine Matrixphase aus Siliziumcarbid zu erhalten, welche ca. 20 Vol.-% an silifiziertem Verbundmaterial aufweist, was einer Ablagerung von Siliziumcarbid von über 10 μm Dicke entspricht.
Die so erhaltenen Bremselemente (Scheiben und Blöcke) haben eine Dichte von ca. 1950 kg/m³ und eine endgültige Porosität von ca. 10%, und ihre volumenmäßige Zusammensetzung ist die folgende:

– ca. 25% Kohlenstofffasern,
– ca. 37% durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhaltene pyrolytische Kohlenstofffasern,
– ca. 8% aus Harz-Koks gebildeter Kohlenstoff, und
– ca. 20% Siliziumcarbid.

Eine so hergestellte Bremse, bestehend aus einer Scheibe und aus Blöcken, wird auf einer Bremsbank im Trockenen bei variablen Gleitgeschwindigkeiten zwischen 5 und 100 m/s getestet. Der Reibungskoeffizient wurde bei verschiedenen Gleitgeschwindigkeiten und zu verschiedenen Zeitpunkten des Versuchs gemessen. In 3 zeigt die schraffierte Fläche den Bereich, in dem sich alle gemessenen Werte befinden. Die Bremeffizienz ist daher bemerkenswert unverändert über einen großen Bereich von Gleitgeschwindigkeiten.
Eine ähnliche Bremse wird beim Bremsen im Trockenen bei einer konstant eingestellten Gleitgeschwindigkeit von 20 m/s getestet. Nach Einlaufen über 3 min mit Anwendung eines Bremsdrucks von 0,55 MPa wird der Reibungskoeffizient während des Aufbringens von drei Bremsdrücken von 0,25 MPa, 0,55 MPa bzw. 1 MPa während Zeitspannen von 3 min gemessen. Die Kurve A der 4 zeigt die Variation des gemessenen Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit der Zeit.
Eine ähnliche Bremse wird unter gleichen Bedingungen getestet, mit der Ausnahme, dass die Umgebung feucht ist, wobei die Bremse ständig mit Wasser benetzt wird. Die Kurve B der 4 zeigt die Variation des gemessenen Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit der Zeit.
Die Kurven A und B zeigen das exzellente Verhalten der Reibungselemente aus silifiziertem C-C-Verbundmaterial, welche gemäß der Erfindung hergestellt wurden. Zum einen ist der Reibungskoeffizient bemerkenswert konstant für verschiedene Bremsdrücke, und zum anderen sind die bei trockener Umgebung und feuchter Umgebung gemessenen Werte praktisch identisch. Somit wird eine konstante Bremseffizienz unter verschiedenen Betriebsbedingungen erhalten.
BEISPIEL II
Scheiben für Scheibenbremsen von Personen-Serienfahrzeugen in großer Serie werden auf folgende Weise hergestellt:
Die Vorformen werden ausgearbeitet durch Vernadeln von übereinander gelagerten Schichten von Filz aus Kohlenstofffasern und Zuschneiden der Vorformen, um ringförmige Vorformen von Scheiben mit einer Dicke von 35 mm, einem Innendurchmesser von 160 mm und einem Außendurchmesser von 360 mm zu erhalten. Der Volumenanteil der Fasern in den Vorformen beträgt 22%.
Ein erster Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase wird durchgeführt, wobei Ablagerungen von Pyrokohlenstoff-Schichten und Ablagerungen von dünnen Schichten (Dicke ca. 0,5 μm) aus Borcarbid, B₄C, abwechseln. bis 40% des anfänglichen Volumens der Vorformen gefüllt ist.
Die teilweise verdichteten Vorformen werden mit einem Phenolharz imprägniert und anschließend bei 900°C wärmebehandelt, um eine zweite Matrixphase aus Harz-Koks zu bilden. Die Imprägierung wird so durchgeführt, dass ca. 18% des Volumens der Vorformen durch Harz-Koks gefüllt werden, so dass die verbleibende Porosität der Vorformen ca. 10 Vol.-% beträgt.
Nach Bearbeiten wird die Silifikation wie im Beispiel I durchgeführt, aber über eine begrenzte Tiefe von jeder Reibfläche aus, wobei Siliziumquellen verwendet werden, welche bewusst eine unzureichende Menge Silizium enthalten, um eine Silifikation bis ins Innerste zu erreichen. Die erhaltenen Scheiben haben eine variable Zusammensetzung:

– Auf den ersten 10 cm von jeder Reibungsfläche aus ist die Zusammensetzung volumenmäßig 22% Kohlenstofffasern, 25% Pyrokohlenstoff/B₄C, 5% Harz-Koks und ca. 33% Siliziumcarbid, wobei die verbleibende Porosität ca. 7% beträgt,
– im Rest der Scheibe, insbesondere im zentralen Bereich des Kerns, ist die Zusammensetzung volumenmäßig 22% Faseranteil, 40% Pyrokohlenstoff/B₄C, 18% Harz-Koks und ca. 0% Siliziumcarbid, wobei die verbleibende Porosität 10% beträgt.

Die erhaltenen Scheiben haben eine offenkundig niedrigere Dichte, in der Größe von 1700 kg/m³, wie auch eine verringerte Steifigkeit, aber tribologische Eigenschaften in den Abnutzungsbereichen, welche vergleichbar jenen der Scheiben in Beispiel I sind.
BEISPIEL III
Bremsscheiben für Automobil-Fahrzeuge werden auf folgende Weise hergestellt:
Die faserartigen Vorformen werden durch Vernadeln von übereinander gelagerten Schichten von Filz aus Kohlefasern und Zuschneiden der Vorformen ausgearbeitet, so dass ringförmige Vorformen von Scheiben mit einer Dicke von 32 mm, einem inneren Durchmesser von 180 mm und einem äußeren Durchmesser von 220 mm erhalten werden. Der Volumenanteil der Fasern in den Vorformen beträgt 30%.
Ein erster Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase wird durchgeführt, um eine Pyrokohlenstoff-Matrixphase zu erhalten, welche 30 Vol.-% der Vorform einnimmt.
Die teilweise verdichteten Vorformen werden mit einem Polycarbosilan-Harz imprägniert und anschließend wärmebehandelt, um eine zweite Matrixphase aus Siliziumcarbid zu bilden, welche aus einem Pyrolyserückstand besteht und 12% des Volumens der Vorform einnimmt.
Die so verdichteten Vorformen werden bearbeitet, und eine Matrixphase aus Siliziumcarbid wird eingebracht durch chemische Infiltration in der Dampfphase unter isothermen-isobaren Bedingungen, bis 20% des Volumens der Vorformen durch SiC eingenommen werden.
Die verbleibende Porosität der erhaltenen Scheiben beträgt 8 Vol.-%.
Die erhaltenen Scheiben weisen eine geringere Dichte auf, aber in den Abnutzungsbereichen tribologische Eigenschaften, welche vergleichbar mit denen der Scheiben von Beispiel I sind.
BEISPIEL IV
Bremsscheiben werden auf folgende Weise hergestellt:
Faserartige Vorformen werden durch Vernadeln von übereinander gelagerten Schichten aus Filz von Kohlenstofffasern und Zuschneiden der Vorformen ausgearbeitet, so dass ringförmige Vorformen erhalten werden, in welchen der Volumenanteil der Fasern 23% beträgt.
Ein erster Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase wird durchgeführt, um eine Matrixphase aus Pyrokohlenstoff zu bilden, welche 45% des Volumens der Vorform einnimmt.
Die teilweise verdichteten Vorformen werden mit einem Phenolharz imprägniert und anschließend bei 900°C wärmebehandelt, um eine zweite Matrixphase aus Harz-Koks zu bilden, welche 10% des Volumens der Vorform einnimmt.
Die so verdichteten Vorformen werden bei 2800°C wärmebehandelt, um die Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstoffphasen der Matrix zu verbessern.
Anschließend wird ein dritter Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase durchgeführt, um eine Matrixphase aus Siliziumcarbid zu bilden, welche 15% des Volumens der Vorform einnimmt.
Die so erhaltenen Scheiben weisen exzellente tribologische Eigenschaften auf.

Claims

Reibungselement mit mindestens einer Reibungsfläche und gebildet aus einem Verbundmaterial, welches eine Kohlenstofffaserverstärkung und eine Matrix mit mindestens einer Kohlenstoffphase und einer Siliziumcarbidphase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens benachbart zu der oder zu jeder Reibungsfläche das Verbundmaterial volumenmäßig besteht aus mindestens: – 15% bis 35% Kohlenstofffasern, – 10% bis 55% erste Matrixphase, welche durch chemische Infiltration in der Dampfphase erhaltenen Pyrokohlenstoff enthält, benachbart zu den Fasern der Faserverstärkung und bildend eine durchgängige Beschichtung auf den Kohlenstofffasern, – 2% bis 30% zweite Matrixphase aus wärmebeständigem Material, erhalten mindestens zum Teil durch Pyrolyse einer flüssigen Vorstufe, und – 10% bis 35% Matrixphase aus Siliziumcarbid.
Reibungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase der Matrix mindestens eine Schicht aus einem Material zum Schutz vor Oxidation aufweist.
Reibungselement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, wärmebeständige Phase aus Kohlenstoff ist.
Reibungselement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, wärmebeständige Phase aus Keramik besteht.
Reibungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix eine Phase aus Siliziumcarbid mit einer begrenzten Tiefe ab einer oder ab jeder Reibungsfläche, aufweist.
Bremsscheibe, welche einen Kern aufweist und mindestens einen Verschleiß-Bereich mit einer Reibungsfläche, dadurch gekennzeichnet, dass sie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.
Bremsscheibe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern der Scheibe mindestens zum Teil aus Verbundmaterial gebildet ist, bei welchem die Matrix nicht die Phase aus Siliziumcarbid aufweist.
Scheibenbremse für ein Schienenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Scheibe gemäß einem der Ansprüche 6 und 7 aufweist.
Scheibenbremse für ein Personenfahrzeug, ein Fahrzeug für Wettbewerbe, ein Nutzfahrzeug oder ein Industrie-Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Scheibe gemäß einer der Ansprüche 6 und 7 aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Reibungselements aus Verbundmaterial mit mindestens einer Reibungsfläche, wobei das Verfahren das Erzeugen einer Vorform aus Kohlenstofffasern mit einer inneren zugänglichen Porosität und die Verdichtung der Vorform durch eine Matrix mit mindestens einer Phase aus Kohlenstoff und einer Phase aus Siliziumcarbid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Vorform aufweist: einen ersten Schritt der chemischen Infiltration in der Dampfphase, um zwischen 10% und 55% des Volumens der Vorform mit einer ersten Matrixphase zu füllen, welche Pyrokohlenstoff enthält und eine durchgängige Beschichtung auf den Kohlenstofffasern bildet; einen zweiten Schritt der Verdichtung durch Imprägnieren der teilweise verdichteten Vorform mit einer Zusammensetzung, welche eine Vorstufe wärmebeständigen Materials im flüssigen Zustand enthält, und Umwandlung der Vorstufe durch Wärmebehandlung; und einen dritten Schritt der Bildung einer Matrixphase aus Siliziumcarbid mindestens benachbart zu einer oder zu jeder Reibungsfläche.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorform erzeugt wird, die einen mittleren Volumenanteil von Fasern zwischen 15% und 35% aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass wärmebeständiger Feststoff-Absetzungen im Inneren der Vorform vor dem ersten Schritt der Verdichtung inkorporiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während der ersten Verdichtungsphase durch chemische Infiltration in der Dampfphase eine erste Matrixphase gebildet wird, welche Pyrokohlenstoff und mindestens eine Beschichtung mit Material zum Oxidationsschutz enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt der Verdichtung verwirklicht wird durch Auffüllen von 4% bis 40% des Volumens der Vorform mit einem aus Flüssigkeit erhaltenen wärmebeständigen Material.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt der Verdichtung durchgeführt wird durch Imprägnieren der teilweise verdichteten Vorform mit einer Zusammensetzung, welche eine Vorstufe im flüssigen Zustand enthält, die mindestens eine aus den Harzen und Teeren gewählte Verbindung enthält, welche bei Pyrolyse einen Kohlenstoffrückstand ergeben, und den Harzen, welche bei Pyrolyse einen keramischen Rückstand ergeben.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Imprägnierung außerdem Feststoffe in Suspension aufweist, ausgewählt aus den Pulvern aus Kohlenstoff, Keramik und Material zum Oxidationsschutz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zweiten Verdichtungsschritt und vor dem dritten Schritt eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 1800°C und 2850°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt in der Art durchgeführt wird, dass zwischen 5% und 35% des Volumens der Vorform durch Siliziumcarbid mindestens benachbart zu der oder zu jeder Reibungsfläche belegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt in der Art durchgeführt wird, dass die zurückbleibende interne Porosität der verdichteten Vorform auf einen Wert von unter 10% des Volumens mindestens benachbart zu der oder zu jeder Reibungsfläche reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt des Bildens einer Matrixphase aus Siliziumcarbid verwirklicht wird durch Silifikation durch Einbringen von Silizium im geschmolzenen Zustand und Reaktion desselben mit Kohlenstoff von mindestens einer der beiden ersten Matrixphasen.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Silifikation gleichzeitig bei mehreren verdichteten Vorformen durchgeführt wird, wobei mehrere verdichtete Vorformen abwechselnd mit Siliziumquellen angeordnet werden, welche eine mehrheitliche Phase auf Siliziumbasis aufweisen und eine minderheitliche Phase, die geeignet ist, eine Struktur zum Zurückhalten und zum Drainieren des verschmelzenden Siliziums zu bilden, und wobei erwärmt wird auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des Siliziums, derart, dass das geschmolzene Silizium von jeder Quelle aus ins Innere der oder ins Innere jeder benachbarten verdichteten Vorform wandern kann.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass Siliziumquellen verwendet werden, bei welchen die mehrheitliche Phase auf Siliziumbasis in Pulverform ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass Siliziumquellen verwendet werden, in welchen die minderheitliche Phase eine dreidimensionale Struktur ist, welche sich über das gesamte Volumen der Siliziumquelle erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Struktur gewählt ist aus den rigiden zellenartigen Strukturen, den faserartigen Netzwerken und den nicht-rigiden zellenartigen Materialien.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Siliziums, welche in eine verdichtete Vorform durch die oder durch jede Reibungsfläche eingebracht wird, bestimmt wird in Abhängigkeit der gewünschten Tiefe der Silifikation, derart, dass eine Matrixphase aus Siliziumcarbid für eine begrenzte Tiefe von der oder von jeder Reibungsfläche aus gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt des Bildens einer Matrixphase aus Siliziumcarbid durch chemische Infiltration in der Dampfphase verwirklicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt des Bildens einer Matrixphase aus Siliziumcarbid durch Silifikation durch Infiltration eines Silizium tragenden Gases bei hoher Temperatur durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt des Bildens einer Matrixphase aus Siliziumcarbid durch Silifikation durch Einbringen von Siliziumpulver und Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt des Bildens einer Phase aus Siliziumcarbidmaterial mindestens teilweise durch Einbringen von Feststoffen in Form von in einer Flüssigkeit suspendiertem Siliziumcarbidpulver durchgeführt wird.