DE69736104T2

DE69736104T2 - Leichter keramischer Schallabsorber und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69736104T2
Application number: DE1997636104
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Hanno Oishi; Yoshiya Nakamura; Hiroya Omiya Ishizuka; Takeo Omiya Sasaki
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1997-11-07
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2017-11-08
Also published as: EP0851402A2; DE69736104D1; EP0851402B1; US5895897A; EP0851402A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen leichten, für die Auspuffdüsen etc. eines Düsentriebwerks verwendeten Keramikschalldämpfer, der leicht von Gewicht ist, außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen und außerordentliche schalldämmende Eigenschaften aufweist, und ebenso auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Beschreibung des Standes der Technik
Üblicherweise wurde ein Schalldämpfer mit der in 1 als ein Beispiel gezeigten Honigwabenstruktur als ein Schalldämpfer für die Auspuffdüsen etc. eines Düsentriebwerks verwendet. Dieser Honigwaben-Schalldämpfer besteht aus einer Honigwabe 1 einer hitzebeständigen Legierung, einer Lochplatte 2 und einer Rückplatte 3, und dieses stellt einen reaktiven Typ von Helmholtz-Resonator dar; der Absorber gibt Energie durch Ableitungen, die durch die Reibung eines Mediums mit einer Wandfläche und die relative Bewegung des Mediums zur Fläche verursacht werden, ab.
Dieser Typ von Honigwaben-Schalldämpfer litt jedoch an Problemen, wie zum Beispiel Überhitzung der Lochplatte 2 oder der inneren Honigwabe 1 oder der Rückplatte 3 durch Abgas bei einer hohen Temperatur [ zum Beispiel im Bereich von 427 °C (700 K) bis 527 °C (800 K) oder höher], oder übermäßige thermische Verformung. Im Speziellen besteht die Lochplatte 2 oft zum Beispiel aus einem rostfreiem Stahl oder einer Aluminiumplatte, deshalb kann die Platte, wenn sie überhitzt ist, beschädigt oder thermisch defonniert werden, und darüber hinaus kann sich der Abschnitt, wo sie mit der Honigwabe 1 verschweißt ist, ablösen. Noch bedeutender ist, dass bei dieser Schallabsorbierungs-Konstruktion die Bandbreite des absorbierbaren Geräusches so schmal ist, dass Geräusch mit einer großen Bandbreite von einem Düsentriebwerk etc. (zum Beispiel im Bereich von 1.000 bis 3.000 Hz) nicht vollständig absorbiert werden kann.
Andererseits ist beim Stand der Technik auch ein Schalldämpfer vom Widerstandstyp, der aus einer perforierten Schicht und einer Faserschicht besteht, bekannt, und verschiedene damit in Beziehung stehende Ausführungsformen sind vorgeschlagen worden (zum Beispiel japanische Offenlegungsschriften Nr. 61-143501, 61-44102, 6-42071 und 6-247778).
Die oben erwähnte japanische Offenlegungsschrift Nr. 61-143501 mit dem Titel „Herstellungsverfahren eines perforierten Schalldämpfers" und die japanische Offenlegungsschrift Nr. 61-44102 mit dem Titel „Leichter, hochwiderstandsfähiger Schalldämpfer" jedoch beziehen sich auf ein aus Metallpartikeln zusammengesetztes Material, nebst einem verbleibenden geringen Porenanteil von etwa 20 bis 50 %, folglich weisen sie Probleme, wie eine geringe Hitzebeständigkeit und hohe spezifische und Gesamt-Gewichte, auf.
Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 6-42071 mit dem Titel „Keramik-Schalldämpfer" bezieht sich auf ein aus Keramikmaterial zusammengesetztes Material, daher ist seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen trotz seiner hohen Hitzebeständigkeit gering, weil die Gesamtstruktur isotrop ist, und das Material leicht bricht. Außerdem liegt der Schallabsorptionsgrad des Materials im Frequenzbereich von 1.000 bis 2.000 Hz bei nur 60 % oder weniger, was im Hinblick auf das Geräusch eines Düsentriebwerkes ein spezielles Problem darstellt. Infolgedessen war dieses Material nicht zufrieden stehend.
Nach der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-247778 mit dem Titel „Leichter keramischer Formkörper mit Poren mit gesteuerten Durchmessern und ein Verfahren zu seiner Herstellung" kann die Entwicklung von Sprüngen auf Grund der gestaffelten Lage der Poren verzögert werden, aber die Schallabsorptionsleistung ist nicht zufrieden stellend. Ebenso kann, wenn die Erfindung bei einem Düsentriebwerk angewendet wird, der Formkörper leicht abbrechen, wenn die Oberfläche des Formkörpers durch einen Gasstrahl überhitzt wird.
Stand der Technik JP 60.036.384 A legt eine Herstellung eines faserverstärkten geschäumten Keramikkörpers offen, der als schalldichtes Baumaterial verwendet werden soll. Die Fasern können anorganisch sein und die Herstellung desselben schließt Brennen der Keramik ein.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist entstanden, um die verschiedenen, oben beschriebenen Probleme zu lösen. Mit anderen Worten ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen leichten Keramik-Schalldämpfer, der ein geringes Gewicht hat und außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen aufweist, und der über eine hohe Leistungsfähigkeit im Geräuschabsorbieren verfügt und dem Gasstrahl eines Düsentriebwerks standhalten kann, und das Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung richteten ihre Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass, wenn der Fließwiderstand vergrößert wird, das Schallabsorptionsvermögen zunimmt, und sie verbesserten das Schallabsorptionsvermögen erfolgreich durch Hinzufügen von Siliziumkarbid (SiC)-Fasern, ohne die Rohdichte zu verändern, dadurch wird der Fließwiderstand im Wesentlichen ohne das Gewicht zu verändern gesteuert. Die vorliegende Erfindung basiert auf diesen neuen Kenntnissen.
Im Einzelnen bietet die vorliegende Erfindung einen leichten Keramik-Schalldämpfer nach Anspruch 1, der ein Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis umfasst, das SiC-Fadenkristalle enthält. Der Absorber ist ein perforierter Körper mit einem Porenanteil, der sich im Bereich von 80 bis 92 % bewegt. Die Poren haben in der Nähe der Vorderseite einen mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm, und der Durchmesser der Poren nimmt zu, je näher sie an der Rückseite liegen. In der Nähe der Rückseite liegt der durchschnittliche Porendurchmesser im Bereich von 500 bis 3.400 μm, das heißt, der Durchmesser der Poren nimmt von der Vorderseite zur Rückseite allmählich zu.
Nach der Zusammensetzung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist das Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis leicht, weil der Anteil der Poren im Bereich von 80 bis 92 Volumenprozent liegt, und das Keramikmaterial durch SiC-Fadenkristalle (Siliziumkarbid-Fasern) verstärkt wird, und auf diese Weise die Widerstandsfähigkeit des Keramikmaterials gegenüber Wärmebelastungen ebenfalls außerordentlich ist, und das Keramikmaterial einem Gasstrahl, sogar wenn das Keramikmaterial direkt ausgesetzt ist, lange standhalten kann. Darüber hinaus liegen in der Nähe der Vorderseite Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm, und für Poren näher an der Rückseite gilt, dass der Porendurchmesser bis zu einem maximalen mittleren Durchmesser im Bereich von 500 bis 3.400 μm in der Nähe der Rückseite größer wird, das heißt, der Porendurchmesser nimmt von den Vorder- zu den Rückseiten zu. Folglich wird, sogar wenn lokal ein Sprung erzeugt wird, die Wachstumsgeschwindigkeit des Sprungs kleiner, während die Spitze des Sprungs in Richtung der Vorderseite fortschreitet, und auch weil das Keramikmaterial mit SiC-Fadenkristallen (Siliziumkarbid-Fasern) verstärkt ist, kann seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen weiter vergrößert werden, auf diese Weise wird es für Sprünge schwieriger, sich zur Vorderseite fortzupflanzen, als nach den beim Stand der Technik bekannten Verfahren.
Die vorliegende Erfindung bietet ein geschäumtes Keramikmaterial, das aus einem perforierten Körper mit einem Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 % und einer dichten Schicht, die sich an der Oberfläche des geschäumten, Keramikfasern enthaltenden Keramikmaterials befindet, besteht, und die dichte Schicht ist mit Poren über einer mittleren Dicke von etwa 1.000 μm oder weniger und mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 10 bis 50 μm ausgestattet. Auf diese Art und Weise stellt die Erfindung einen leichten Keramik-Schalldämpfer zur Verfügung.
Nach der oben erwähnten Gestaltung der vorliegenden Erfindung ist das geschäumte Keramikmaterial selbst leicht und hochwiderstandsfähig gegenüber Wärmebelastungen, und auf Grund einer dichten Schicht, die an der Oberfläche des Keramikmaterials erzeugt wurde, kann das Keramikmaterial Geräusch wirksam eindämmen, was durch ein Experiment bestätigt worden ist. Weil die dichte Schicht durch Keramikfasern verstärkt ist, kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen weiter vergrößert werden, so kann das Keramikmaterial, sogar wenn das Keramikmaterial direkt einem Gasstrahl ausgesetzt ist, der Aussetzung lange standhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet die dichte Schicht einen Fließwiderstand im Bereich von ungefähr 4 bis ungefähr 60 Pa × s/m (= cgs Rayls/cm). Für einen Fließwiderstand in diesem Bereich ist bestätigt worden, dass die Geräuschabsorption, verglichen mit einer Schicht mit einem Fließwiderstand von etwa 1 Pa × s/m (= 1 cgs Rayls/cm), insbesondere bei etwa 1 kHz, um 20 bis 50 % gesteigert wird.
Das oben erwähnte geschäumte Keramikmaterial enthält in der Nähe der Vorderseite in Kontakt mit der dichten Schicht Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm, näher zur Rückseite werden die Luftporen größer, und in der Nachbarschaft der Rückseite wird der mittlere Porendurchmesser 500 bis 3.400 μm, das heißt, die Porendurchmesser tendieren dazu, von den Vorder- zu den Rückseiten größer zu werden. Bei dieser Gestaltung wird, sogar wenn lokal ein Sprung erzeugt wird, die Wachstumsgeschwindigkeit des Sprungs kleiner, je mehr sich der Sprung der Vorderseite nähert. Darüber hinaus kann, weil die dichte Schicht in der Nähe der Vorderseite durch Keramikfasern verstärkt ist, die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen weiter vergrößert werden, daher kann die Vorderseite nicht leicht rissig werden, und das Keramikmaterial kann auch bei direkter Aussetzung einem Gasstrahl lange widerstehen.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein leichter Keramik-Schalldämpfer durch ein Verfahren nach Anspruch 4 hergestellt.
Das oben erwähnte und andere Ziele und vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, die mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erstellt wurde, in welchen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Teile überall in den Zeichnungen bezeichnen, offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht eines herkömmlichen Schalldämpfers für Hochtemperatur-Einsätze.
2 ist eine allgemeine Ansicht des Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Rohdichte und Biegefestigkeit zeigt.
4A ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen normaler akustischer Impedanz und Frequenz beim Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
4B ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen vertikal einfallendem akustischem Absorptionsvermögen und Frequenz beim Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist eine allgemeine Ansicht des Aufbaus des Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Frequenz-Kennlinie des Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine andere Frequenz-Kennlinie des Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine andere Frequenz-Kennlinie des Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine andere Frequenz-Kennlinie des Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt.
2 ist eine Ansicht des Aufbaus eines Teils eines leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung. Wie in dieser Ansicht gezeigt, ist der leichte Keramik-Schalldämpfer 10 der vorliegenden Erfindung ein Verbundmaterial auf Keramikbasis, das aus einem Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis 12, das SiC-Fadenkristalle 11 enthält, besteht. Das Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis 12 ist ein perforierter Körper mit einem Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 %, in der Nähe der Vorderseite weisen die Poren einen mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm auf, und in Lagen näher an der Rückseite werden die Porendurchmesser größer. In der Nähe der Rückseite liegt der mittlere Porendurchmesser im Bereich von 500 bis 3.400 μm, das heißt, die Porendurchmesser tendieren dazu, entsprechend der Entfernung von der Vorderseite größer zu werden.
Die SiC-Fadenkristalle 11 bestehen aus Siliziumkarbid-Fasern, die in das Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis 12 integriert sind, und das Keramikmaterial 12 wird durch die Siliziumkarbid-Fasern, die über eine hohe Hitzebeständigkeit und Zugfestigkeit verfügen, verstärkt.
Nach der oben genannten Gestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis 12 leicht, weil es Poren in einem Volumenanteil, der sich im Bereich von 80 bis 92 % bewegt, enthält, und da das Keramikmaterial durch die SiC-Fadenkristalle 11 (Siliziumkarbid-Fasern) verstärkt ist, ist auch die Widerstandsfähigkeit des Keramikmaterials gegenüber Wärmebelastungen außerordentlich, und das Keramikmaterial kann einem Gasstrahl, sogar, wenn es ihm direkt ausgesetzt ist, lange standhalten. Darüber hinaus liegen Poren mit mittleren Durchmessern im Bereich von 50 bis 450 μm in der Nähe der Vorderseite, und an Stellen, die näher an der Rückseite liegen, werden die Poren größer. In der Nähe der Rückseite wird der mittlere Porendurchmesser 500 bis 3.400 μm, das heißt, der Durchmesser der Poren nimmt von den Vorderzu den Rückseiten hin zu. Folglich wird, sogar wenn lokal ein Sprung erzeugt wird, dessen Wachstumsgeschwindigkeit kleiner, wenn sich die Spitze des Sprungs der Vorderschicht nähert. Zudem wird das Keramikmaterial durch SiC-Fadenkristalle (Siliziumkarbid-Fasern) verstärkt, deshalb kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen für das Keramikmaterial auch vergrößert werden, daher sind die Oberflächenschichten widerstandsfähiger gegenüber Sprüngen als die im Stand der Technik bekannten.
Nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung für einen leichten Keramik-Schalldämpfer werden ein Keramikpulver auf Aluminiumoxidbasis und SiC-Fadenkristalle mit einer Lösung, die ein Dispersionsmittel, ein organisches Bindemittel und einen Schaumbildner enthält, in Wasser in eine aufgeschäumte Aufschlämmung gemischt, und die Aufschlämmung wird in Formen gegossen. Der Durchmesser der Blasen wird während der Herstellung durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sie sich vereinigen, während die Aufschlämmung entwässert und getrocknet wird. Das geformte Teil wird dann aus den Formen entfernt, entfettet und gebrannt. Demzufolge können SiC-Fadenkristalle (Siliziumkarbid-Fasern) in das Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis eingelagert werden. Die Größe der Blasen kann auch durch Steuern der Entwässerung und Trocknung durch Anwendung verschiedener Materialien für die Formen und durch Verändern der Wasseraufnahme-Geschwindigkeit der Formen gesteuert werden. Auf diese Weise kann zusammen mit der Erzeugung von Poren, die dazu tendieren, von den Vorder- zu den Rückseiten im Durchmesser größer zu werden, eine dichte Schicht erzeugt werden. Demzufolge kann ein Schalldämpfer mit Poren von gesteuertem Durchmesser ziemlich einfach und verhältnismäßig billig erzeugt werden.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden SiC-Fadenkristalle in den perforierten Körper des Keramikmaterials auf Aluminiumoxidbasis integriert, folglich ist die Verstärkung überall im Körper verteilt, und isolierte Poren können erzeugt werden. Ebenso können der Porenanteil und der Porendurchmesser durch Verwendung langer oder kurzer Siliziumkarbid-Fasern gesteuert werden. Bei langen Fasern sind der Porenanteil und Porendurchmesser klein, und wenn der Körper kurze Fasern enthält, sind sowohl der Porenanteil als auch Porendurchmesser größer. Außerdem können Entwässerungs- und Trocknungsgeschwindigkeiten durch Verändern der verwendeten Wassermenge und durch die Verwendung verschiedener Materialien für die Gießform gesteuert werden. Indem man sich diese Phänomene zu Nutze macht, können die Durchmesser der Poren verändert werden, um die bevorzugte Streuung von den Vorder- zu den Rückseiten zu ergeben, dabei kann die Widerstandsfähigkeit und Festigkeit des Keramikmaterials gegenüber Wärmebelastungen erheblich verbessert werden.
Weitere Details der vorliegenden Erfindung werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Der keramische Inhalt des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung ist einzig auf Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis beschränkt, und bevorzugter Weise sollte das Material als ein Pulver oder in pulverähnlicher Form verwendet werden. Dieses Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis enthält Siliziumkarbid-Fasern. Siliziumkarbid-Fasern werden in langfaserige, kurzfaserige und Fadenkristall-Typen eingeteilt, aber absolut vorzugsweise sollten SiC-Fadenkristalle (Siliziumkarbid-Fasern) verwendet werden, weil ihre Festigkeit ideal ist und sie einfach in das Keramikmaterial integriert werden können. Ferner werden diese anorganischen Fasern vorzugsweise in Formen wie zum Beispiel Fasern, Ringen und Maschen verwendet. Fasern oder Maschen sind die meist bevorzugten Formen. Der Grad der Verstärkung kann durch Steuerung der Menge von hinzugefügten Siliziumkarbid-Fasern, um sich für die jeweilige Anwendung zu eignen, reguliert werden, und der Porenanteil kann durch Anwendung langer oder kurzer Fasern vergrößert oder verringert werden. Die Menge hinzuzufügender Siliziumkarbid-Fasern liegt bei 3 bis 30 Gewichtsprozent des Rohkeramik-Materials, vorzugsweise zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent. Wenn die Menge von hinzugefügten Siliziumkarbid-Fasern bei weniger als 3 Gewichtsprozent liegt, ist der Verstärkungseffekt schwach und verteilt, beständige Poren können nicht erzeugt werden. Andererseits verringert sich der Verstärkungseffekt auch, wenn sie 30 Gewichtsprozente überschreitet.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Fasern von verschiedener Länge in Form eines Gewebes verwendet, und der Porenanteil kann durch Steuern der Länge der Fasern leicht vergrößert oder verringert werden. Die bevorzugte Länge der Fasern liegt im Bereich von 15 μm bis 100 μm. Eine geringere Faserlänge hat einen höheren Porenanteil und größere Porendurchmesser zur Folge, und wenn die Länge größer als 100 μm ist, sind der Porenanteil und die Durchmesser kleiner als bevorzugte Werte. Infolgedessen kann, wenn die Faserlänge weniger als 10 μm ist, von den Fasern kein Verstärkungseffekt erwartet werden, und Steuern von Porenanteil und Porendurchmessern ist schwieriger.
Beim leichten Keramik-Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung liegt der Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 %, es gibt Poren mit einem mittleren Durchmesser, der in der Nähe der Vorderseite im Bereich von 50 bis 450 μm liegt, in Lagen näher an der Rückseite werden die Durchmesser der Poren größer, und in der Nähe der Rückseite haben die Durchmesser der Poren einen mittleren Wert im Bereich von 500 bis 3.400 μm, das heißt, die Porendurchmesser sind gemäß einer bevorzugten Tendenz verteilt. In der Nähe der Vorderseite des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung gibt es Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm, verstärkt mit Siliziumkarbid-Fasern, was einen Absorber von hoher Festigkeit zur Folge hat, und darüber hinaus kann der Porenanteil durch Verwendung langer oder kurzer Fasern dieses Siliziumkarbids gesteuert werden. Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind Poren mit gemäß der Entfernung von den Vorder- und Rückseiten gesteuerten Durchmessern verteilt. Wenn jedoch der Porenanteil geringer als 80 ist, verliert der Absorber seine leichtgewichtige Eigenschaft, und wenn er 92 % überschreitet, wird die Festigkeit unerwünscht niedrig.
Obgleich die vorliegende Erfindung Poren mit einem Durchmesser, der in der Nähe der Vorderseite im Bereich von 10 bis 500 μm liegt, vorschreibt, ist ein Porendurchmesser von weniger als 10 μm nicht wünschenswert, weil die akustischen Eigenschaften des Absorbers unbefriedigend sind, und er außerdem seine leichtgewichtige Beschaffenheit einbüßt. Wenn der Durchmesser 500 μm überschreitet, wird der Effekt der gesteuerten Verteilung von Durchmessern gemindert und zugleich verschlechtert sich die Festigkeit, was Sprünge während des Gießens zur Folge hat, daher ist ein Durchmesser von mehr als 500 μm nicht wünschenswert. Darüber hinaus muss nach der vorliegende Erfindung der mittlere Durchmesser von Poren in der Nähe der Rückseite im Bereich von 500 bis 3.400 μm liegen und demzufolge zeigt der Schalldämpfer eine signifikante Schwankung in der Verteilung gesteuerter Korndurchmesser. Folglich ist die erhaltene Festigkeit in der Praxis akzeptabel. Wenn jedoch die Porendurchmesser einen Maximalwert von 5.000 μm überschreiten, gibt es eine nicht wünschenswerte Verschlechterung in der Festigkeit des Materials. Obwohl die Gestalt der Poren nicht besonders eingegrenzt ist, sollte sie vorzugsweise nahe einer Kugelform sein, und es ist wünschenswert, dass diese kugelförmigen Poren miteinander in Punktkontakt sind, was miteinander verbundene und miteinander kommunizierende Poren und die Entstehung von durchgehenden Poren zur Folge hat.
Der Schalldämpfer der vorliegenden Erfindung ist durch die Tendenz der Poren, von der Rückseite zur Vorderseite kleiner zu werden, gekennzeichnet, daher pflanzt sich jeder im mittleren Teilstück des Absorbers erzeugte Sprung langsamer fort, während sich die Sprungspitze auf die Vorderschicht zu bewegt, und deshalb tritt Abblättern oder Springen auf Grund von Wärmebelastungen an der Oberfläche des leichten Keramik-Schalldämpfers sehr selten auf.
Als Nächstes wird das Verfahren zur Herstellung des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst wird eine keramische Aufschlämmung hergestellt. Unter Verwendung des vorher erwähnten Keramikpulvers auf Aluminiumoxidbasis als das Rohmaterial, wird das Keramikmaterial und SiC-Fadenkristalle mit einer wässrigen Lösung, die ein Dispersionsmittel, ein organisches Bindemittel und einen Schaumbildner enthält, zu einer aufgeschäumten Aufschlämmung gemischt. Als Nächstes wird die Aufschlämmung in Formen gegossen und die durch die sich vereinigenden Poren hervorgerufene Vergrößerung bei den Durchmessern der Poren wird durch die Geschwindigkeit gesteuert, mit der die Aufschlämmung entwässert und getrocknet wird. Der geformte Teil wird aus den Formen entfernt, entfettet und gebrannt, so entsteht ein fertiges Keramikmaterial. Beim Erzeugen der Aufschlämmung liegt die bevorzugte Menge des hinzuzufügenden Wassers normalerweise im Bereich von 25 bis 50 Gewichtsteilen für je 100 Gewichtsteile des Keramikpulver-Rohmaterials. Wenn die Menge weniger als 25 Gewichtsteile beträgt, ist es schwierig, mit der Aufschlämmung zu arbeiten, und wenn die Menge 50 Gewichtsteile überschreitet, ist der Feuchtigkeitsgehalt übermäßig, und die Aufschlämmung benötigt lange Zeit, um sich nach dem Gießen zu verfestigen, was nicht wünschenswert ist. Bei dem oben erwähnten Verfahren kann ein beim Stand der Technik bekanntes organisches Bindemittel verwendet werden, und vorzugsweise können, nach Gelegenheit, Polyvinylalkohol, ein Harz auf Acrylbasis, Methylcellulose, etc. verwendet werden.
Eine notwendige Voraussetzung für den Schaumbildner, genauer einen Schaumbildner auf Proteinbasis, in der obigen Beschreibung ist, dass der Durchmesser der Poren nach dem Aufschäumen im Bereich von 10 μm bis 2.000 μm liegt, und noch zweckmäßiger ist es vorteilhaft, einen Schaumbildner auf Proteinbasis oder einen Schaumbildner, der aus Eiweiß und einem Tensid besteht, zu verwenden. Darüber hinaus können der oben erwähnten Aufschlämmung auch verschiedene Additive, wie zum Beispiel ein Schmiermittel, ein Dispersionsmittel, und ein beim Stand der Technik bekanntes Tensid, hinzugefügt werden. Als ein typisches Dispersionsmittel kann ein Dispersionsmittel auf Ammoniumpolycarboxylat-Basis (Dispersionsmittel auf Anionenbasis) eingesetzt werden. Bevorzugte Beispiele von Tensiden umfassen Alkylbenzolsulfonat, höhere Alkylaminsäure, etc. Innerhalb des Anwendungsbereichs der Ansprüche der vorliegenden Erfindung können nach herkömmlichen Verfahren bei Bedarf auch geeignete Mengen eines beim Stand der Technik bekannten Verdickungsmittels, eines Schlichtmittels etc. hinzugefügt werden. Beispiele von Verdickungsmitteln, Schlichtmitteln etc. umfassen Methylzellulose, Polyvinylalkohol, Saccharose, Molassen, Xanthengummi, etc. Hinzufügen dieser Stoffe hat feste und stabilisierte Poren zur Folge.
Nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird eine Aufschlämmung mit Luftblasen in Formen gegossen, und das Entwässern und Trocknen der Aufschlämmung wird durch Regulieren der Wasseraufnahme-Geschwindigkeit der Formen und durch Verwendung eines optimalen Materials für die Formen gesteuert. Folglich wird die Vereinigung der Blasen gesteuert, und ebenso wird die Tendenz zu Unterschieden bei den Porendurchmessern gesteuert. In anderen Worten ist das Trocknen früher beendet, wenn eine hohe Entwässerungsgeschwindigkeit angewandt wird, und demzufolge nicht nur die Luftblasen nicht wachsen, sondern die Blasen während der Verfestigung auch zerplatzen, und eine dichte Schicht ausgebildet wird. Andererseits wachsen, wenn eine geringe Entwässerungsgeschwindigkeit angewandt wird, die Luftblasen, während sich der geformte Teil verfestigt, und so bleiben große Poren zurück. Dementsprechend können während des Entwässerungsvorgangs Poren mit auf die bevorzugte Art und Weise veränderten Durchmessern durch Steuern der Entwässerungs- und Trocknungsgeschwindigkeiten des geformten Körpers erzeugt werden, indem die Hygroskopizität der Formen, der Porenanteil, die Porendurchmesser, die Temperaturen der Aufschlämmung und der Formen, der Aufschlämmungs-Gießdruck, etc. reguliert werden. Der auf diese Weise nach der vorliegenden Erfindung hergestellte leichte Keramik-Schalldämpfer ist besonders für einen Schalldämpfer für ein Düsentriebwerk geeignet, aber der Absorber kann auch zum Beispiel für Baustoffe, elektronische Geräte, mechanische Bauteile, etc. verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird, Bezug nehmend auf Ausführungsformen und Vergleiche, im Detail beschrieben, die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht nur auf diese Ausführungsformen beschränkt werden.
Ausführungsform 1
Ein leichter Keramik-Schalldämpfer ist unter Verwendung von Rohmaterialien, bestehend aus einem Keramikpulver auf Aluminiumoxidbasis (mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,6 μm) und SiC-Fadenkristallen (mit einem Durchmesser von 0,5 μm und einer Länge von 15 μm) als die Siliziumkarbid-Fasern hergestellt worden. Das Keramikpulver auf Aluminiumoxidbasis wurde in einer Menge von 285 g einer Lösung zugefügt, die 18 g eines Dispersionsmittels auf Ammoniumpolycarboxylat-Basis, 5 g eines Bindemittels auf Acrylemulsions-Basis, 5 g eines Schaumbildners auf Anionentensid-Basis, und 1 g eines Verdickungsmittels in Wasser enthielt. Die Lösung wurde in einer Kugelmühle unter Verwendung eines Gefäßes mit einem Fassungsvermögen von 200 ml gemischt, um eine aufgeschäumte Aufschlämmung zu erzeugen. Die aufgeschäumte Aufschlämmung wurde in Formen gegossen, entwässert, getrocknet, und der geformte Teil wurde aus den Formen entfernt, und die Rohdichte des Absorbererzeugnisses wurde gemessen und bei 0,3 g/cm³ ermittelt. Durch diesen Absorber wurde ein Schnitt gemacht, und Sichtprüfung zeigte, dass in der Nähe der Vorderseite Poren mit Durchmessern im Bereich von 10 bis 500 μm waren, und dass die Durchmesser auf die Rückseite zu größer wurden. In der Mitte waren Poren mit Durchmessern im Bereich von 1.000 bis 3.000 μm und in der Nähe der Rückseite wurden Poren mit einem maximalen Durchmesser von 5.000 μm gefunden. Infolgedessen war nachgewiesen, dass der Absorber Poren mit gemäß der Entfernung von den Vorder- und Rückseiten gesteuerten Durchmessern enthielt. Die Poren waren im Wesentlichen kugelförmig, hauptsächlich bestehend aus durchgehenden Poren.
Als Nächstes wurde der Absorber, nachdem er aus den Formen entfernt war, für 5 Stunden zum Entfetten in Luft auf 600 °C erhitzt und für eine Stunde in Luft bei 1.650 °C gebrannt, dadurch wurde die Herstellung des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung abgeschlossen. Der fertige Absorber war im Wesentlichen frei von Verwerfung und Sprüngen, und als Ergebnis beim Betrachten einer durch den Ab sorber geschnittenen Fläche sah man, dass in der Nähe der Vorderseite Poren mit einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 500 μm waren, nebst anderen Poren im Bereich von 1.000 μm bis 3.000 μm im Mittelabschnitt und anderen Poren mit einem maximalen Durchmesser von 5.000 μm in der Nähe der Rückseite. Dies bestätigte als Ergebnis, dass der Absorber Poren mit entsprechend der Entfernung von der Vorderseite gesteuerten Durchmessern enthielt.
Ausführungsform 2
Bei Ausführungsform 1 wurden verschiedene Typen von Schalldämpfern aus Verbundwerkstoffen mit keramischer Matrix (CMC) hergestellt, indem die Arten und Mengen von Siliziumkarbid-Fasern verändert wurden, und die physikalischen Eigenschaften wurden gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 und 3 gezeigt.
Tabelle 1
Ersichtlich aus Tabelle 1 und 3, hat ein perforierter Körper mit nach der vorliegenden Erfindung hinzugefügten Siliziumkarbid-Fasern eine höhere Festigkeit als einer mit einem ziemlich hohen Porenanteil. Folglich ist offenbar, dass ein leichter, steifer, perforierter Körper erzeugt werden kann. Außerdem ist auch nachgewiesen, dass die Beschaffenheit der Poren an den Vorder- und Rückseiten durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung frei gesteuert werden kann, und ein perforierter Körper mit Poren, die zweckbestimmt in Durchmesser und Verteilung gesteuert sind, kann erzielt werden.
Ausführungsform 3
Verschiedene leichte Keramik-Schalldämpfer wurden durch Verfahren hergestellt, die denjenigen, die für Ausführungsformen 1 und 2 verwendet wurden, ähnlich sind, und mit herkömmlichen leichten Keramik-Schalldämpfern verglichen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 und 4A und 4B gezeigt.
Tabelle 2 zeigt einen Vergleich zwischen dem nach der vorliegenden Erfindung hergestellten leichten Keramik-Schalldämpfer und herkömmlichen Absorbern ohne Fasern (beim Stand der Technik bekannt). 4A und 4B zeigen die Frequenzeigenschaften der den Fällen 5 und 6 von Tabelle 2 entsprechenden Schalldämpfer. Die Porenanteile in Tabelle 2 und 4A und 4B sind gegeben mit (1 – Rohdichte/spezifisches Gewicht) × 100. Die Einheiten des Fließwiderstands sind 10 cgs × Rayls/cm = 10 k × mks × Rayls/m = 10 Pa × s/m = 10 kg/m/s.
Tabelle 2
Wie in Tabelle 2 gezeigt, nimmt mit zunehmendem Fließwiderstand das Schallabsorptionsvermögen zu, und der Fließwiderstand kann, wie ersichtlich ist, durch Hinzufügen von Siliziumkarbid-Fasern, ohne eine wesentliche Änderung in der Rohdichte, gesteuert werden.
Darüber hinaus machen 4A und 4B deutlich, dass der leichte Keramik-Schalldämpfer, der nach der vorliegenden Erfindung Siliziumkarbid-Fasern enthält, besonders in den Fällen 5 und 6, verglichen mit herkömmlichen Schalldämpfern ohne Fasern, über einen Frequenzbereich von 1 kHz bis 4 kHz eine Verbesserung im Schallabsorptionsvermögen um etwa 10 % bis 30 % liefert.
Nach der Gestaltung der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben, enthält ein Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis 80 bis 92 Volumenprozent Poren, daher ist das Keramikmaterial leicht. Weil das Keramikmaterial auch mit SiC-Fadenkristallen (Siliziumkarbid-Fasern) verstärkt ist, verfügt es über außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen, so dass das Keramikmaterial auch bei direkter Aussetzung einem Gasstrahl lang standhalten kann. Außerdem enthält das Keramikmaterial in der Nähe der Vorderseite Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm, und die Poren werden größer, wenn sie näher an der Rückseite sind. In der Nähe der Rückseite haben Poren einen mittleren Durchmesser im Bereich von 500 bis 3.400 μm, das heißt, die Durchmesser der Poren sind zweckbestimmt gesteuert und verteilt, so wird, sogar wenn lokal ein Sprung erzeugt wird, die Wachstumsgeschwindigkeit des Sprungs kleiner, während er sich der Vorderseite nähert. Außerdem ist das Keramikmaterial mit SiC-Fadenkristallen (Siliziumkarbid-Fasern) verstärkt, deshalb kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen weiter vergrößert werden, und folglich können in der Vorderschicht keine Sprünge erzeugt werden.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Keramikpulver auf Aluminiumoxidbasis und SiC-Fadenkristalle mit einer Lösung gemischt, die ein Dispersionsmittel, ein organisches Bindemittel und einen Schaumbildner in Wasser enthält, und eine aufgeschäumte Aufschlämmung wird erzeugt. Die Aufschlämmung wird in Formen gegossen und die Zunahme bei den Blasendurchmessern, die durch Vereinigung der Blasen verursacht wird, wird durch die Geschwindigkeit, mit der die Aufschlämmung entwässert und getrocknet wird, gesteuert. Der Formkörper wird aus den Formen entfernt, entfettet und gebrannt. Auf diese Weise können die SiC-Fadenkristalle (Siliziumkarbid-Fasern) in das Keramikmaterial auf Aluminiumoxidbasis eingearbeitet werden, und durch Steuern des Entwässerns und Trocknens durch Veränderung der Wasseraufnahme-Geschwindigkeiten der Formen, und durch Verwenden verschiedener Materialien für die Formen kann das Wachstum der Poren gesteuert werden. Auf diese Weise kann gleichzeitig mit der Erzeugung von Poren mit gesteuerten Durchmessern und gesteuerter Verteilung eine dichte Schicht ausgebildet werden.
Infolgedessen bieten der leichte Keramik-Schalldämpfer und das Verfahren zu seiner Herstellung nach der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile, wie zum Beispiel geringes Gewicht, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen, hohe Schallabsorption, und hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Gasstrahl aus einem Düsentriebwerk.
5 ist eine schematische Ansicht des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung. Wie in diesem Bild gezeigt, besteht der leichte Keramik-Schalldämpfer 20 der vorliegenden Erfindung aus einem geschäumten Keramikmaterial 21 und einer dichten Schicht 22 und die dichte Schicht 22 enthält Keramikfasern und wird durch die Fasern verstärkt.
Das geschäumte Keramikmaterial 21 ist ein perforierter Körper mit einem Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 %, und es sind Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm in der Nähe der Vorderseite in Kontakt mit der dichten Schicht 22, und wenn sie näher an der Rückseite liegen, werden die Durchmesser der Poren größer, und in der Nähe der Rückseite wird der mittlere Durchmesser der Poren 500 bis 3.400 μm, auf diese Weise nehmen die Durchmesser der Poren allmählich von den Vorder- zu den Rückseiten hin zu. Auf Grund dieser Gestaltung verlangsamt sich, sogar wenn lokal ein Sprung erzeugt wird, seine Wachstumsgeschwindigkeit, während er sich der Vorderschicht nähert, deshalb kann Abblättern oder Springen der Oberfläche des leichten Keramik-Schalldämpfers auf Grund von Wärmebelastungen sehr selten auftreten, und so kann der Absorber außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen und hohe Festigkeit zeigen.
Die dichte Schicht 22 ist in die Oberfläche des geschäumten Keramikmaterials 21 integriert. Die dichte Schicht 22 ist, wie oben erwähnt, mit Keramikfasern verstärkt. Die Keramikfasern sollten vorzugsweise aus keramischen Stoffen oder SiC-Fadenkristallen bestehen. Die Dicke der dichten Schicht 22 beträgt ungefähr 1.000 μm oder weniger, und sie schließt Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 10 bis 50 μm ein, deshalb kann man von der dichten Schicht 22 den später zu beschreibenden Geräusch dämpfenden Effekt erhalten, was ein höheres Schallabsorptionsvermögen zur Folge hat. Da die dichte Schicht 22 mit den Keramikfasern verstärkt ist, kann die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen weiter gesteigert werden, und sogar wenn der Absorber direkt einem Gasstrahl ausgesetzt ist, kann er ihm für lange Zeit standhalten.
Vorzugsweise hat die dichte Schicht einen Fließwiderstand von ungefähr 4 bis 60 Pa × s/m (= cgs Rayls/cm). Verglichen mit einem Absorber, der einen Fließwiderstand von ungefähr 1 Pa × s/m (= cgs Rayls/cm) hat, kann der oben erwähnte Fließwiderstands-Bereich die Lärmabsorption verbessern, besonders bei ungefähr 1 kHz um etwa 20 bis 50 %.
Der leichte Keramik-Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung wird folgendermaßen hergestellt: Durch Mischen einer Lösung, die Keramikpulver, ein Dispersionsmittel, ein organisches Bindemittel und einen Schaumbildner in Wasser enthält, wird eine aufgeschäumte Aufschlämmung erzeugt, und Keramikfasern werden an der Stelle der dichten Schicht in den Formen platziert. Die Aufschlämmung wird in die Formen gegossen, und die durch die Vereinigung der Blasen verursachte Zunahme bei den Blasendurchmessern wird durch die Geschwindigkeiten, mit welchen die Aufschlämmung entwässert und getrocknet wird, gesteuert. Der geformte Teil wird aus den Formen entfernt, entfettet und gebrannt. Auf diese Weise kann eine dichte Schicht mit Keramikfasern in das geschäumte Keramikmaterial integriert werden, und durch Steuern der Entwässerungs- und Trocknungsbedingungen durch Verändern der Entwässerungsgeschwindigkeit der Formen und durch Verwenden eines unterschiedlichen Materials für die Formen kann die Wachstumsgeschwindigkeit der Poren gesteuert werden, so dass zugleich mit der Ausbildung der dichten Schicht Poren mit gesteuerten Durchmessern erzeugt werden können. Deshalb kann ein Schalldämpfer mit Poren, deren Durchmesser gesteuert und zweckbestimmt verteilt sind, ziemlich einfach und billig hergestellt werden.
Die dichte Schicht wird entweder durch Anwendung hoch hygroskopischer Formen, die aus Gips etc. gefertigt sind, oder dadurch, dass die Formenoberfläche der Luft ausgesetzt wird, hergestellt. Das heißt, die Trocknungsgeschwindigkeit der Oberfläche wird vergrößert, dabei wird eine dichte Schicht mit einem niedrigen Porenanteil erzeugt.
Das Wachstum der Poren kann durch Regulierung der Entwässerungs- und Trocknungsgeschwindigkeiten, durch Anwendung eines unterschiedlichen Materials für die Formen, und durch Veränderung der Entwässerungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Indem man sich dieses Verfahren zu Nutze macht, können die Durchmesser und Lagen der Poren von den Vorder- zu den Rückseiten gesteuert werden, und demzufolge könne die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen und die Festigkeit des Absorbers drastisch vergrößert werden.
Mehr Details der vorliegenden Erfindung werden unten beschrieben. Der Keramikanteil des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung ist nicht besonders eingeschränkt, besteht jedoch aus Keramikmaterial auf Oxid- oder Nichtoxidbasis oder Tonmineralien. Es kann eine Art oder eine Vielzahl von diesen Materialien in einer Mischung verwendet werden, und vorzugsweise sollte das Material oder die Materialien in einer Pulver- oder pulverähnlichen Form verwendet werden. Derartiges Keramikmaterial auf Oxidbasis umfasst Aluminiumoxid, Mullfit, Zirkonoxid, etc., und das Keramikmaterial auf Nichtoxid-Basis umfasst Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Graphit, etc.
Bei einem leichten Keramik-Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung liegt der Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 %, wobei sich in der Nähe der Vorderseite Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm befinden, und an Steilen, die sich der Rückseite nähern, werden die Poren größer, und der mittlere Porendurchmesser in der Nähe der Rückseite liegt im Bereich von 500 bis 3.400 μm. Das heißt, Poren mit gesteuerten Durchmessern liegen verteilt zwischen den Vorder- und Rückseiten.
Nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung werden die Poren zweckbestimmt so angeordnet, dass die Durchmesser gemäß der Entfernung von nahe den Vorder- zu den Rückseiten gesteuert werden. Wenn jedoch die Porenanteile bei weniger als 80 % liegen, geht die bevorzugte Eigenschaft des geringen Gewichts verloren. Wenn andererseits die Porenanteile 92 % überschreiten, verringert sich auf unvorteilhafte Weise die Festigkeit.
Die vorliegende Erfindung liefert Poren mit Durchmessern im Bereich von 10 bis 500 μm in der Nähe der Vorderseite, wenn aber die Durchmesser der Poren weniger als 10 μm betragen, kann der Absorber nicht die erforderlichen Eigenschaften als ein Schalldämpfer zeigen, und er wird auch deshalb nicht bevorzugt, weil er die Eigenschaft, von geringem Gewicht zu sein, verliert. Wenn der Durchmesser 500 μm überschreitet, ist dies e benfalls nicht wünschenswert, da die Wirkung der gesteuerten Durchmesser und der zweckbestimmten Verteilung der Poren nachlässt, und dies ebenfalls eine Verschlechterung in der Festigkeit verursacht und eine gelegentliche Ursache von Sprüngen ist, die während des Gießens auftreten können. Da sich in der Nähe der Rückseite Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 500 bis 3.400 μm befinden, wird ein Schalldämpfer mit einer signifikanten Abweichung bei den gesteuerten Durchmessern der Poren und ihrer zweckbestimmten Verteilung hergestellt, so kann die Festigkeit auch in der Praxis akzeptiert werden. Wenn jedoch die Porendurchmesser einen Maximalwert von 5.000 μm überschreiten, verschlechtert sich die Festigkeit af unerwünschte Weise. Die Form einer Pore ist nicht besonders eingeschränkt, aber eine ungefähr kugelförmige Pore wird bevorzugt, und diese kugelförmigen Poren sollten vorzugsweise aus als Folge von Punktkontakten miteinander kommunizierenden Poren bestehen.
Weil der Schalldämpfer der vorliegenden Erfindung mit Poren ausgestattet ist, deren Durchmesser an der Rückseite groß und an der Vorderseite klein sind, mit einer Tendenz zu gesteuerten Durchmessern und Verteilung, schreitet jeder erzeugte Sprung, während sich die Spitze der Vorderschicht nähert, langsamer fort, und demzufolge kann Abblättern oder Springen der Oberfläche des leichten Keramik-Schalldämpfers auf Grund von Wärmebelastungen nur sehr selten auftreten, das heißt, die Widerstandsfähigkeit des Absorbers Wärmebelastungen gegenüber ist hervorragend.
Als Nächstes wird unten das Verfahren zur Herstellung des leichten Keramik-Schalldämpfers der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zuerst wird eine keramische Aufschlämmung hergestellt. Bei Anwendung des vorher erwähnten Keramikpulvers auf Oxid- oder Nichtoxidbasis als ein Rohmaterial, wird eine Lösung, die das Keramikpulver, ein Dispersionsmittel, ein organisches Bindemittel und einen Schaumbildner in Wasser enthält, gemischt, um eine aufgeschäumte Aufschlämmung zu erzeugen. Dann werden Keramikfasern an der Stelle der dichten Schicht in den Formen platziert. Die aufgeschäumte Aufschlämmung wird in die Formen gegossen, und die durch die Vereinigung verursachte Zunahme bei den Porendurchmessern wird durch die Geschwindigkeit, bei welcher die Aufschlämmung entwässert und getrocknet wird, gesteuert. Der geformte Teil wird aus den Formen entfernt, entfettet und gebrannt, um das fertige Produkt zu bilden. Bei der Herstellung der Aufschlämmung liegt die bevorzugte Menge des hinzuzufügenden Wassers normalerweise im Bereich von 25 bis 50 Gewichtsteilen zu 100 Gewichtsteilen des Keramikpulver-Rohmaterials. Wenn das Wasser weniger als 25 Gewichtsteile ist, wird es schwierig, die Aufschlämmung herzustellen, und wenn der Was sergehalt 50 Gewichtsteile überschreitet, benötigt die Aufschlämmung nach dem Gießen wegen des übermäßigen Wassergehalts lange Zeit, um sich zu verfestigen, deshalb wird dies nicht bevorzugt. In der obigen Beschreibung kann das organische Bindemittel aus denen, die beim Stand der Technik bekannt sind und verwendet werden, ausgewählt werden, und vorzugsweise sollten es Polyvinylalkohol, Harze auf Acrylbasis oder Methylcellulose, etc. sein.
Für den Schaumbildner in der obigen Beschreibung ist die bevorzugte Bedingung, dass die Porendurchmesser nach dem Aufschäumen bei 10 μm bis 2.000 μm liegen sollten. Genauer gesagt, wird ein Schaumbildner, dessen Hauptbestandteil entweder ein Schaumbildner auf Proteinbasis, Eiweiß, oder ein Tensid ist, bevorzugt. Darüber hinaus kann die oben erwähnte Aufschlämmung bei Bedarf auch verschiedene beim Stand der Technik nach herkömmlichen Verfahren bekannte Additive, wie zum Beispiel ein Schmiermittel, ein Dispersionsmittel, ein Tensid, etc. enthalten. Typischerweise kann ein Dispersionsmittel auf Ammoniumpolycarboxylat-Basis (Dispersionsmittel auf Anionenbasis) verwendet werden. Geeignete Tenside umfassen Alkylbenzolsulfonat, höhere Alkylaminsäuren, etc. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls bei Bedarf ein beim Stand der Technik bekanntes Verdickungsmittel, Schlichtstoff, etc., nach herkömmlichen Verfahren hinzugefügt werden. Solche brauchbaren Verdickungsmittel, Schlichtstoffe etc. umfassen zum Beispiel Methylzellulose, Polyvinylalkohol, Saccharose, Molassen, Xanthengummi, etc. Das Hinzufügen eines jeden dieser Stoffe kann die Festigkeit der Poren verbessern und die Poren stabilisieren.
Nach dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung wird eine aufgeschäumte Aufschlämmung in Formen gegossen, das Material der Formen wird gewählt, und die Wasseraufnahme-Geschwindigkeit der Formen reguliert, so dass die Entwässerungs- und Trocknungsgeschwindigkeiten der Aufschlämmung gesteuert werden, dadurch wird die Entwicklung des Schaums gesteuert. Auf diese Weise werden die Durchmesser und Lagen der Poren zweckbestimmt gesteuert. In anderen Worten erfolgt die Trocknung früher, indem die Entwässerungs-Geschwindigkeit vergrößert wird, was nicht nur eine Verlangsamung des Blasenwachstums, sondern auch Zerplatzen der Blasen während der Verfestigung und die Ausbildung einer dichten Schicht zur Folge hat. Mit einer geringeren Entwässerungsgeschwindigkeit andererseits verfestigen sich die Wände aller Blasen, während sie wachsen, so bleiben größere Blasen zurück. Wie oben beschrieben, werden die Entwässerungs- und Trocknungsgeschwindigkeiten für einen Formkörper durch Steuerung der Wasseraufnahme-Geschwindigkeit der Formen, des Porenanteils, Porendurchmessers, Temperatur der Aufschlämmung und der Formen, des Aufschlämmungs-Gießdrucks etc. reguliert, und demzufolge können Poren auf eine solche Weise verteilt werden, dass die Durchmesser gemäß ihrer Lage zweckbestimmt gesteuert werden können. Der auf diese Weise nach der vorliegenden Erfindung hergestellte leichte Keramik-Schalldämpfer ist besonders für die Verwendung als ein Schalldämpfer für ein Düsentriebwerk geeignet, aber der Absorber kann ebenso für andere Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel für Baustoffe, elektronische Geräte, mechanische Bauteile, etc.
Ausführungsform 4
Ein leichter Keramik-Schalldämpfer wurde hergestellt, wobei als Rohmaterialien ein Keramikpulver auf Aluminiumoxidbasis (mit einem mittleren Korndurchmesser von 0,6 μm) und ein anorganisches Fasermaterial verwendet wurden. Eine Lösung wurde angesetzt, indem 18 g eines Dispersionsmittels auf Ammoniumpolycarboxylat-Basis, 5 g eines Bindemittels auf Acrylemulsions-Basis, 5 g eines Schaumbildners auf Anionentensid-Basis, und 1 g eines Verdickungsmittels in 140 g Wasser aufgelöst wurden, zu der Lösung wurden 285 g Keramikpulver auf Aluminiumoxidbasis hinzugefügt, und eine aufgeschäumte Aufschlämmung wurde durch Mischen der Lösung in einer Kugelmühle erzeugt, wobei ein Gefäß mit einem Fassungsvermögen von 200 ml verwendet wurde. Die aufgeschäumte Aufschlämmung wurde in Formen gegossen, und nach Entwässerung und Trocknung wurde der Formkörper aus den Formen entfernt, und die Rohdichte des Absorbers wurde gemessen. Das Ergebnis war 0,3 g/cm³. Anschnitte des Absorbers wurden betrachtet und man hat herausgefunden, dass sie in der Nähe der Vorderseite Poren mit Durchmessern im Bereich von 10 bis 500 μm aufwiesen, und die Durchmesser der Poren wurden auf die Rückseite zu größer. Es wurde ebenso herausgefunden, dass sich in der Mitte Poren mit Durchmessern im Bereich von 1.000 bis 3.000 μm und in der Nähe der Rückseite Poren mit einem maximalen Durchmesser von 5.000 μm befanden. Folglich wurde gezeigt, dass Poren mit Durchmessern, die dazu tendierten, von der Vorder- zur Rückseite größer zu werden, eingeschlossen waren. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Poren im Wesentlichen kugelförmig waren, und hauptsächlich aus kommunizierenden Poren bestanden.
Als Nächstes wurde der aus den Formten entfernte Schalldämpfer für 5 Stunden durch Erhitzen auf 600 °C in Luft entfettet, dann wurde der Absorber für eine Stunde in Luft bei 1.650 °C gebrannt, um die Herstellung des leichten Keramik-Schalldämpfers nach der vorliegenden Erfindung abzuschließen. Der fertige Absorber war frei von signifikanten Verwerfungen oder Sprüngen, und beim Untersuchen von geschnittenen Flächen des Absorbers zeigte sich, dass in der Nähe der Vorderseite Poren mit Durchmessern im Bereich von 10 bis 500 μm waren, Poren mit Durchmessern im Bereich von 1.000 bis 3.000 μm im Mittelabschnitt, und Poren mit einem maximalen Durchmesser von 5.000 μm in der Nähe der Rückseite. Folglich wurde bestätigt, dass Poren von den Vorder- bis zu den Rückseiten vorhanden waren, deren Durchmesser so gesteuert waren, dass sie an jeder Stelle die gewünschten Werte hatten.
Ausführungsform 5
Geschäumtes Keramikmaterial wurde auf dieselbe Art wie für Ausführungsform 4 hergestellt, und auf der Oberfläche des Keramikmaterials wurde durch Verwenden von zum Beispiel aus Gips etc. gefertigten Formen mit einer hohen Hygroskopizität eine dichte Schicht erzeugt.
Tabelle 3 zeigt einen Vergleich zwischen dem in dieser Ausführungsform hergestellten leichten Keramik-Schalldämpfer (nach der vorliegenden Erfindung) und einem Absorber ohne eine dichte Schicht (Stand der Technik). 6, 7 und 8 zeigen Frequenz-Kennlinien des Schallabsorptionsvermögens entsprechend den Werten in Tabelle 3.
Tabelle 3
Wie in Tabelle 3 gezeigt, kann man sehen, dass in einem Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 4 kHz der leichte Keramikschalldämpfer der vorliegenden Erfindung mit dem geschäumten Keramikmaterial, das heißt, ein Schalldämpfer mit einem Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 % und einer dichten Schicht, ein Absorptionsvermögen liefert, das, verglichen mit dem herkömmlichen Schalldämpfer ohne eine dichte Schicht, um einen Maximalwert von 24 % und einen Maximalwert von 14 % für eine Dicke der dichten Schicht von jeweils 24 mm und 12 mm zunimmt.
6 bis 8 zeigen auch, dass im Frequenzbereich von 1.000 bis 3.000 Hz der Schalldämpfer der vorliegenden Erfindung mit einer dichten Schicht ein um etwa 10 % größeres Schallabsorptionsvermögen als ein herkömmlicher Absorber aufweist.
Ausführungsform 6
Nach demselben Verfahren wie das für Ausführungsform 5 wurde der Fließwiderstand der vorderen dichten Schicht verändert, und ein leichter Keramik-Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung wurde hergestellt.
Tabelle 4 zeigt einen Vergleich zwischen dem nach der vorliegenden Erfindung erzeugten leichten Keramik-Schalldämpfer und einem Schalldämpfer, der eine Metall-Frontplatte verwendet (Stand der Technik). 9 ist eine Frequenz-Kennlinie der Schallabsorptionsvermögen entsprechend den Werten in Tabelle 4.
Tabelle 4
Aus Tabelle 4 kann man ersehen, dass, verglichen mit dem Schalldämpfer mit einer Metall-Frontplatte mit einem Fließwiderstand von etwa 1 Pa × s/m (= cgs Rayls/cm) (Stand der Technik), besonders bei etwa 1 kHz durch den leichten Keramik-Schalldämpfer mit einer dichten Schicht, der einen Fließwiderstand von etwa 4 bis 60 Pa × s/m (= cgs Rayls/cm) aufweist, eine Verbesserung im Schallabsorptionsvermögen um etwa 20 bis 50 % erreicht werden kann,
Außerdem zeigt 9 auch, dass der Absorber der vorliegenden Erfindung, wenn er mit einem Absorber ohne eine Frontplatte verglichen wird, besonders bei etwa 1 kHz ein deutlich verbessertes Schallabsorptionsvermögen aufweist.
Wie oben beschrieben, besteht der leichte Keramik-Schalldämpfer der vorliegenden Erfindung aus einem geschäumten Keramikmaterial, das an sich sehr leicht von Gewicht ist und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen aufweist, und darüber hinaus kann die an der Oberfläche des Keramikmaterials gebildete dichte Schicht Geräusch wirkungsvoll eindämmen. Die dichte Schicht wird auch durch Keramikfasern verstärkt, folglich kann die dichte Schicht die Widerstandsfähigkeit des Keramikmaterials gegenüber Wärmebelastungen steigern, so dass der Absorber einem Gasstrahl auch bei direkter Aussetzung lange Zeit standhalten kann.
Außerdem trägt die dichte Schicht mit einem Fließwiderstand im Bereich von etwa 4 bis etwa 60 Pa × s/m (= cgs Rayls/cm) besonders bei etwa 1 kHz bedeutend zu einer Steigerung der Geräuschabsorption bei. Das Vorhandensein von Poren mit Durchmessern, die gemäß ihrer Lage zweckbestimmt gesteuert sind, kann die Widerstandsfähigkeit des Absorbers gegenüber Wärmebelastungen weiter verbessern, weil, sogar wenn lokal ein Sprung erzeugt wird, sein Wachstum verlangsamt wird, während sich der Sprung der Vorderschicht nähert, und weil die dichte Schicht der Vorderseite durch Keramikfasern verstärkt ist. Folglich ist die Vorderschicht hoch widerstandsfähig gegenüber Sprüngen, so dass der Absorber, selbst wenn er einem Gasstrahl direkt ausgesetzt ist, der Aussetzung für lange Zeit standhalten kann.
Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines leichten Keramik-Schalldämpfers werden Keramikfasern an der Stelle der dichten Schicht in den Formen platziert, und durch Gießen der vorher erwähnten Aufschlämmung in die Formen kann die die Keramikfasern beinhaltende dichte Schicht in das geschäumte Keramikmaterial integriert werden. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Blasen kann auch durch Steue rung der Entwässerungs- und Trocknungsgeschwindigkeiten durch Verwendung eines unterschiedlichen Materials für die Formen und durch Verändern der Entwässerungsgeschwindigkeit der Formen zweckdienlich gesteuert werden. Folglich werden Poren mit Durchmessern erzeugt, die zweckbestimmt gemäß der Lage zugleich, während die dichte Schicht ausgebildet wird, gesteuert werden. Ebenso kann die Trocknungsgeschwindigkeit an der Oberfläche verbessert werden, und an der Oberfläche kann durch Verwendung von hoch hygroskopischem Material, wie zum Beispiel Gips, für die Formen, oder durch Aussetzen der Oberfläche der Luft, eine dichte Schicht mit einem niedrigen Porenanteil ausgebildet werden.
Als Schlussfolgerung, bieten der leichte Keramik-Schalldämpfer und das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorteile, wie zum Beispiel geringes Gewicht, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Wärmebelastungen, hohes Schallabsorptionsvermögen, und hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Gasstrahl von einem Düsentriebwerk.
Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, muss offenbar sein, dass der Inhalt, der durch diese Erfindung umfasst wird, nicht auf diese bestimmten Ausführungsformen beschränkt werden kann. Im Gegenteil soll der Inhalt der Erfindung alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfassen, soweit sie in den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche eingeschlossen werden können

Claims

Leichter Keramik-Schalldämpfer (10), der ein Keramikmaterial (12) auf Aluminiumoxidbasis, das SiC-Fadenkristalle (11) enthält, als einen perforierten Körper mit einem Porenanteil im Bereich von 80 bis 92 % umfasst, wobei Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 50 bis 450 μm in der Nähe der Vorderseite des Körpers vorhanden sind, die Porendurchmesser in Richtung der Rückseite des Körpers größer sind, ein mittlerer Durchmesser der Poren im Bereich von 500 bis 3400 μm in der Nähe der Rückseite des Körpers liegt und die Porendurchmesser von der Vorder- zur Rückseite zunehmen.
Leichter Keramik-Schalldämpfer (10) nach Anspruch 1, der des Weiteren eine dichte Schicht umfasst, die Keramikfasern in Kontakt mit der Vorderseite des perforierten Körpers enthalten, wobei die Dicke der dichten Schicht ungefähr 1000 μm oder weniger beträgt und die dichte Schicht Poren mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 10 bis 50 μm enthält.
Leichter Schalldämpfer (10) nach Anspruch 2, wobei die dichte Schicht einen Fließwiderstand von ungefähr 4 bis ungefähr 60 Pa × s/m (cgs Rayls/cm) hat.
Verfahren zum Herstellen eines leichten Keramik-Schalldämpfers (10) nach Anspruch 1, das die folgenden Schritte umfasst: Mischen eines Keramikpulvers auf Aluminiumoxidbasis und von SiC-Nadelkristallen mit einer wässrigen Lösung, die ein Dispersionsmittel, ein organisches Bindemittel und einen Schaumbildner enthält, um eine aufgeschäumte Aufschlämmung auszubilden, die Blasen enthält, Gießen der Aufschlämmung in Formen und Entwässern sowie Trocknen der Aufschlämmung, wobei Steuerung der Zunahme des Blasendurchmessers, die durch Vereinigung der Blasen verursacht wird, und der Tendenz zu Unterschieden der Porenparametern ausgeführt wird, indem die Geschwindigkeiten gesteuert werden, mit denen die Aufschlämmung entwässert und getrocknet wird, und indem des Weiteren die Hygroskopizität der Formen, der Porenanteil, die Porendurchmesser, die Temperaturen der Aufschlämmung und der Formen sowie der Aufschlämmungs-Gießdruck reguliert werden, und anschließend Entfernen des verfestigten geformten Teils aus den Formen und Entfetten sowie Brennen desselben.
Verfahren zum Herstellen eines leichten Keramik-Schalldämpfers (10) nach Anspruch 4, wobei die Keramikfasern an der Position der dichten Schicht in den Formen angeordnet werden und die Aufschlämmung in die Formen gegossen wird.
Verfahren zum Herstellen eines leichten Schalldämpfers (10) nach Anspruch 5, wobei die dichte Schicht ausgebildet wird, indem die Trockengeschwindigkeit an der Oberfläche der gegossenen Aufschlämmung erhöht wird.