DE69916774T2

DE69916774T2 - Verbundwerkstoff auf Keramikbasis und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69916774T2
Application number: DE69916774T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Tokorozawa-shi Nakamura; Hiroshige Funabahsi-shi Murata; Shoju Tachigawa-shi Masaki
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: CA2276659A1; US6368663B1; CA2276659C; DE69916774D1; EP1024121A2; JP2000219576A; EP1024121B1; JP3722188B2; EP1024121A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundelement auf Keramikbasis, welches bezüglich der hermetischen Eigenschaften und der Beständigkeit gegenüber thermischen Schock überragend ist und dessen Herstellungsverfahren.
Um die Leistung eines Raketentriebwerkes unter Verwendung von NTO/N₂H₄, NTO/MMH und dergleichen als Antriebsmittel zu erhöhen, ist gefordert, dass die Wärmebeständigkeitstemperatur eines Verbrennungsraumes (Brennkammer) erhöht wird. Zu diesem Zweck wurde bisher eine beschichtete Nioblegierung mit einer Wärmebeständigkeitstemperatur von ungefähr 1.500°C als ein Kammermaterial für viele Raketentriebwerke verwendet. Dieses Material ist jedoch aufgrund seiner hohen Dichte ungünstig schwer, bezüglich der Hochtemperaturtestigkeit niedrig und weist eine kurze Beschichtungslebensdauer auf.
Sa auf der anderen Seite Keramik bezüglich der Wärmebeständigkeitseigenschaften hoch ist, jedoch ungünstigerweise brüchig, wurde ein Verbundelement mit keramischer Matrix (im Folgenden als CMC abgekürzt) entwickelt, indem die Keramik mit keramischer Faser verstärkt wurde. Insbesondere umfasst ein Verbundelement auf Keramikbasis (CMC) keramische Fasern und eine keramische Matrix. Zusätzlich wird das CMC im allgemeinen als keramische Faser/keramische Matrix durch sein Material angegeben (z. B. wenn beide aus SiC gebildet werden, wird SiC/SiC angegeben.
Da CMC leicht ist und eine hohe Hochtemperaturtestigkeit aufweist, ist es ein sehr interessantes Material für den Verbrennungsraum (Brennkammer) des Raketentriebwerkes, sowie des weiteren für eine Kraftstoffrohrleitung bzw. -anlage in einem Hochtemperaturbereich, eine Turbinenschaufel eines Düsentriebwerkes, eine Verbrennungsanlage, und einen Nachbrennerbestandteil und dergleichen.
Die herkömmlichen CMC's können jedoch die hermetischen Eigenschaften nicht beihalten und sind in der Beständigkeit gegenüber thermischen Schock und thermischen Zyklen ungünstig niedrig. Insbesondere wird bei dem herkömmlichen CMC, nachdem eine vorbestimmte Form aus den keramischen Fasern gebildet wurde, eine Matrix in einer Spalte zwischen den Fasern in dem sogenannten CVI (chemische Dampfinfiltrations) – Prozess gebildet. Ein Problem bleibt jedoch, dass es einen unpraktisch langen Zeitraum erfordert( z. B. ein Jahr oder mehr), um die Spalte zwischen den Fasern durch den CVI-Prozess vollständig aufzufüllen.
Des weiteren verringert sich während einer in einer Hochtemperaturuntersuchung oder dergleichen von herkömmlichen CMC's, welche wie oben beschrieben hergestellt wurden, wenn ein heftiger thermischer Schock (z. B. Temperaturunterschied von 900°C oder mehr) ausgeübt wird, die Festigkeit drastisch und das CMC kann kaum noch einmal verwendet werden.
Daher wird das herkömmliche Verbundelement auf Keramikbasis (CMC) im wesentlichen nicht in dem Verbrennungsraum (Brennkammer), der Kraftstoffrohrleitung bzw. -anlage oder anderen Bestandteilen verwendet werden, die hermetische Eigenschaften und Beständigkeit gegenüber thermischen Schock erfordern.
EP-A-0799809 offenbart ein Verbundelement auf Keramikbasis umfassend zwei SiC-Matrizen. Dieses Verbundelement wird durch ein Verfahren erhalten, umfassend eine Kurzbehandlung eines Verbundelementes auf Keramikbasis mit einer SiC-Vorläuferinfiltration aus der Dampfphase, um eine erste SiC-Matrix zu bilden, und ein Tränkungsschritt mit einem Vorläufer, wie Polycarbosilan, in einer Lösung gefolgt durch einen Pyrolyseschritt, um eine zweite Matrix zu bilden.
WO-A-9415887 offenbart ein thermostrukturelles Verbunderzeugnis umfassend mit Siliziumkarbid verstärkte Elemente in einer Matrix, welche wenigstens teilweise durch den CVI-Prozess gebildet wurde. Eine Zwischenflächenschicht aus pyrolytischem Kohlenstoff kann um die Fasern aufgebracht werden.
EP-A-0172082 offenbart eine Verbundstruktur umfassend einen faserförmigen, verstärkten Körper, gebildet aus Fasern aus einem feuertesten Material, eine keramische Matrix, welche die Fasern des Verstärkungskörpers umgibt und eine Zwischenschicht aus einem feuerfesten Material mit einer laminaren Struktur.
Es war die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbundelement auf Keramikbasis und das Herstellungsverfahren dafür bereitzustellen, welches die hermetischen Eigenschaften und die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock deutlich steigern kann und welches in der Praxis in einer Brennkammer oder dergleichen eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 und das Verbundelement auf Keramikbasis gemäß Anspruch 3 erzielt.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angeführt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren (im Folgenden als der Hybridprozess bezeichnet) bestehend aus einer Kombination der CVI- und PIP-Prozesse, wobei eine dichte Matrix um eine keramische Faser durch den CVI-Prozess gebildet wird, und wobei die Spalte durch den PIP-Prozess von der Matrix infiltriert/angefüllt wird. Zusätzlich wird die durch den Hybridprozess gebildete Matrix als Hybridmatrix bezeichnet.
Der PIP (Polymertränkungs- und Pyrolyse)-Prozess weist im Vergleich mit dem CVI-Prozess eine schnellere Matrixbildungsgeschwindigkeit auf, und kann in einem kurzen Zeitraum wiederholt durchgeführt werden. Daher ist die nach dem CVI-Prozess vorhandene Spalte durch Wiederholdung des PIP-Prozesses gut gefüllt, und die hermetischen Eigenschaften können gesteigert werden.
Des weiteren, da feine Risse in der durch den PIP-Prozess hergestellten Matrix vorhanden sind, ist eine Bindungskraft der keramischen Fasern schwach. Daher kann, wenn der PIP-Prozess zusätzlich zu dem CVI-Prozess ausgeübt wird, der Young's Modul im Vergleich mit den herkömmlichen CMC reduziert werden, welche nur durch den CVI-Prozess hergestellt werden, und als ein Ergebnis wurde durch Untersuchungen bestätigt, dass eine thermische Spannung gemildert wird und dass die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock beträchtlich verbessert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der oben genannte PIP-Prozess durchgeführt, nachdem ein Volumenverhältnis der CVI SiC-Matrix ungefähr 5% oder mehr und ungefähr 80% oder weniger beträgt.
Wenn das Volumenverhältnis weniger als 5% beträgt, wird die dichte Matrix, welche die keramischen Fasern umgibt, vermindert und die Beständigkeit gegenüber Oxidation zerstört. Des weiteren ist ein Verringerungsverhältnis des Young's Moduls gering, wenn 80 % überschritten werden und die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock kann nicht ausreichend gesteigert werden. Wird daher das Volumenverhältnis der Matrix durch den CVI-Prozess auf ungefähr 5% oder mehr, ungefähr 80% oder weniger festgesetzt, kann das Young's Modul ausreichend reduziert werden und die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock kann im Vergleich mit herkömmlichen CMC's, die nur durch den CVI-Prozess hergestellt werden, beträchtlich gesteigert werden.
1 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundelementes auf Keramikbasis gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 zeigt eine Kurve, welche die Änderungen der Kammertemperatur darstellt.
3 zeigt eine Kurve, die eine Überlebensfestigkeit des nur durch einen herkömmlichen CVI-Prozess hergestellten CMC's darstellt.
4 zeigt eine Kurve, die eine Überlebensfestigkeit eines durch einen Hybrid-Prozess hergestellten CMC's darstellt.
5 zeigt eine Kurve, die ein Verhältnis zwischen dem Verhältnis der CVI-Matrix in der gesamten Matrix und der maximalen Zugspannung in dem CMC darstellt.
6 zeigt eine Kurve, welche ein Verhältnis zwischen dem Verhältnis der CVI-Matrix in der gesamten Matrix und dem Young Modul in dem CMC darstellt.
7A ist eine Aufnahme eines CMC's, welches nur durch den CVI-Prozess hergestellt wurde und 7B ist eine Aufnahme des Verbundelementes auf Keramikbasis.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundelementes auf Keramikbasis der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt, wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung als ein Teil jedes der Verfahren verwendet: Faserherstellung 1; Weben 2; Entschlichten 3; C-CVI 4; SiC-CVI 5; Aufspanntrennung 6; SiC-CVI 7; Dichtemessung 8; PIP 9; Dichtemessung 10; Bearbeiten 11; SiC-CVI 12; und Untersuchung 13. Zusätzlich können die Aufspanntrennung 6, SiC-CVI 7 und dergleichen weggelassen werden.
Bei dem Faserherstellungsverfahren 1 und dem Webverfahren 2 wird ein Gewebe mit einer vorbestimmten Form unter Verwendung von SiC-Fasern hergestellt. Die in dem Webverfahren 2 gebildete Form kann eine für einen Verbrennungsraum (Brennkammer) eines Raketentriebwerkes geeignete Form sein, oder des weiteren für ein Kraftstoffrohleitungssystem in einem Hochtemperaturbereich, eine Turbinenschaufel, einen Nachbrennbestandteil und dergleichen.
Des weiteren wird in dem Entschlichtungsverfahren 3 ein Überschuss der Polymerbeschichtung auf der Faser entfernt. In dem Bearbeitungsverfahren 11 wird ein Verbundelement auf Keramikbasis (CMC) in dem Hybridprozess, als eine Kombination von CVI- und PIP-Prozessen, bearbeitet und oberflächengeschliffen, um einen gewünschten Bauteil herzustellen. In dem Verfahren wird eine vorbestimmte Form, zum Beispiel unter Verwendung eines Diamantschleifrades, gebildet.
Ein Hauptverfahren der vorliegenden Erfindung umfasst den oben genannten Hybridprozess, das heißt den CVI-Prozess zur Bildung einer SiC-Matrix auf einer Oberfläche eines geformten Gewebes in einer druckreduzierten Atmosphäre, und den PIP-Prozess zur Infiltrierung einer Spalte in der geformten Matrix mit einem organischen Siliziumpolymer als eine Basis und das Durchführen einer Pyrolyse.
In dem Beispiel aus 1, umfasst der CVI-Prozess den C-CVI-Prozess 4 und drei SiC-CVI-Prozesse 5, 7 und 12. In dem C-CVI-Prozess 4 wird die geformte Faser mit Kohlenstoff (vorzugsweise Graphitkohlenstoff), BN, oder dergleichen beschichtet. Die Beschichtungsdicke liegt vorzugsweise bei ungefähr 0,1 bis 1,0 μm. Wie in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 12671/1988 offenbart, spielt die Beschichtung eine Rolle bei der Trennung der Matrix und der keramischen Faser, um die Zähigkeit der keramischen Faser zu verstärken.
Die SiC-CVI-Prozesse 5, 7, 12 sind Prozesse zur Durchführung von Behandlungen bzw. Prozessen des sog. CVI (chemischen Dampfinfiltrations)-Verfahrens, wobei die mit einer bestimmten Aufspannvorrichtung in einem Ofen fixierten Gewebe erwärmt werden und zum Beispiel Methyltrichlorsilan in der druckreduzierten Atmosphäre durchfliesst, um SiC zu synthetisieren. Zusätzlich werden die ersten zwei CVI-Prozesse 5 und 7 so oft wie notwendig wiederholt, so dass das Volumenverhältnis der in dem CVI-Prozess synthetisierten Matrix auf ungefähr 5% oder mehr und ungefähr 80% oder weniger festgelegt wird. Der letzte CVI-Prozess 12 ist ein Prozess, um eine dichte Matrix auf der Oberfläche der in dem PIP-Prozess gebildeten Matrix zu bilden.
Der PIP-Prozess 9 umfasst einen Infiltrationsprozess, um die Spalte der in dem CVI-Prozess gebildeten Matrix mit dem organischen Siliziumpolymer als Basis zu infiltrieren und den nachfolgenden Pyrolyseprozess. Die Infiltrations- und Pyrolyseprozesse werden sofern notwendig wiederholt.
Das organische Siliziumpolymer zur Verwendung in dem Infiltrationsprozess kann Polycarbosilanlösung, Polyvinylsilan, Polymethalocarbosilan oder dergleichen sein, oder eine Mischung dieser mit SiC-Pulver. Die Matrix, in welcher feine Risse vorhanden sind, kann in einem kurzen Zeitraum durch den PIP-Prozess zur Durchführung der Infiltration und Pyrolyse unter Verwendung des organischen Siliziumpolymers gebildet werden.
Des weiteren kann die Infiltration in dem PIP-Prozess eines aus der Gruppe umfassend Tauchen, druckreduzierte Infiltration und unter Druck gesetzte Infiltration oder eine Kombination dieser umfassen. Bei dem Tauchen kann eine große Menge des organischen Siliziumpolymers in einem kurzen Zeitraum infiltriert werden. Des weiteren können bei der druckreduzierten Infiltration feine Spalten mit dem organischen Siliziumpolymer gefüllt werden. Des weiteren können bei der unter Druck gesetzten Infiltration die hermetischen Eigenschaften gesteigert werden, indem die Infiltration durchgeführt wird, während ein Druck in einer Druckrichtung zum Zeitpunkt der Verwendung ausgeübt wird.
Des weiteren umfasst das Verbundelement auf Keramikbasis der vorliegenden Erfindung eine SiC-Matrix, gebildet auf der Oberfläche eines geformten Gewebes, und eine Matrix mit feinen Rissen, welche in einer Spalte der Matrix gebildet wird. Die SiC-Matrix auf der Oberfläche des geformten Gewebes kann in dem oben genannten CVI-Prozess gebildet werden. Des weiteren kann die Matrix mit den feinen Rissen in dem oben genannten PIP-Prozess gebildet werden.
Beispiele (zur weiteren Beschreibung der Erfindung, welche jedoch außerhalb des Umfangs der Ansprüche liegen).
Im Folgenden werden Beispiele beschrieben.
1. Verfahren zur Herstellung einer Kammer
Eine SiC/SiC-Kammer wurde durch das in 1 dargestellte Herstellungsverfahren hergestellt. Tyrrano Lox-X-Faser, hergestellt von Ube Industries, Ltd., wurde als SiC-Faser für die Kammer verwendet. Die Faser wurde auf einem Dorn gewebt und mit der SiC-Matrix infiltriert. Des weiteren wurde zur Infiltration der Matrix die Hybridbehandlung angewandt, bestehend aus der Kombination der CVI- und PIP-Prozesse. Nach der Infiltration wurde ein Einlassbefestigungsbereich und eine Düseninnenfläche ausgearbeitet.
2. Verfahren zur Überprüfung von undichten Stellen
Das Verfahren zur Überprüfung von undichten Stellen wurde bei 0,7 MPa durchgeführt. Nachdem die Kammer in Wasser untergetaucht wurde und mit N₂-Gas unter Druck gesetzt wurde, wurde das durch die Kammer geleitete Gas gefangen und als eine Leckmenge gemessen. Des weiteren wurde eine Spalte zwischen dem Kammereinlass und einer Kammereinschnürung abgedichtet, so dass verhindert werden konnte, dass ein Düsenbereich unter Druck gesetzt wurde.
3. Drucktestverfahren
Wasser wurde als ein Überdruckmedium bzw. Druckmedium verwendet, und der Drucktest der Kammer wurde bei 4,5 MPa durchgeführt. Ein Verfahren zur Überprüfung der Dichte war das gleiche wie in dem Verfahren zur Überprüfung von undichten Stellen.
4. Verbrennungstestverfahren
Der Verbrennungstest wurde unter Verwendung einer Raketentesteinrichtung durchgeführt, um die Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit unter Verbrennungsbedingungen zu bestätigen, und NTO/N₂H₄ wurde als ein Antriebsmittel verwendet. Des weiteren wurden in dem Test zwei Arten von Düsenschichtabkühlverhältnissen, 26% und 9%, überprüft.
5. Verfahren zur Überprüfung des thermischen Schocks
Abschreckverfahren mit Wasser wurden durchgeführt, um die thermische Schockbeständigkeit zu ermitteln. In dem Abschreckverfahren mit Wasser wurde ein Probenstück, welches auf eine hohe Temperatur erwärmt wurde, in Wasser so wie es war, abgeschreckt.
Zwei Arten von Teststücken wurden zum Vergleich hergestellt. Ein Teststück bestand nur aus einer herkömmlichen CVI-Matrix und war ein CMC aus Standard Nicalon/SiC, hergestellt von Du Pont. Ein Laminierungsmuster betrug 0/90/ ± 45°. Das andere Teststück war ein CMC, hergestellt durch das Hybridverfahren der vorliegenden Erfindung, wobei die CVI- und PIP-Prozesse kombiniert wurden. Dessen Laminierungsmuster betrug 0/90°. Nachdem jedes Teststück bei 700°C und 900°C eine Stunde gehalten und in Wasser abgeschreckt wurde, wurde die Überlebensfestigkeit gemessen. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Materialeigenschaften des thermischen Schocktests.
[Tabelle 1] Vergleich der Materialeigenschaften des thermischen Schocktests
6. Ergebnis des Verfahren zur Überprüfung von undichten Stellen
Es gab ein Leck zu Beginn der Matrixinfiltration, das Leck betrug jedoch nach Wiederholen des PIP-Prozesses Null.
7. Ergebnis des Drucktests
Der Test wurde mit einem Druckprofil durchgeführt, wobei der Druck bei 3 MPa 10 Minuten gehalten wurde und auf einen maximalen Druck von 4,5 MPa erhöht wurde, Lecks, Deformierungen oder andere Beschädigung wurden jedoch nicht ermittelt. Insbesondere wurde bestätigt, dass der CMC (SiC/SiC-Kammer) durch die Hybridbehandlung der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Festigkeit aufweist.
8. Ergebnis des Verbrennungstests
2 zeigt eine Kurve, welche die Änderung der Kammertemperatur darstellt. Der Verbrennungstest wurde viermal durchgeführt und die maximale Betriebsdauer betrug 22 Sekunden. Des weiteren wurde die maximale Temperatur einer Kammerwand mit 1.424°C gemessen. Zusätzlich wird die maximale Temperatur einer Innenfläche auf ungefähr 1.800°C festgelegt.
9. Ergebnis des thermischen Schocktests
3 und 4 zeigen die Überlebensfestigkeiten eines CMC, hergestellt durch den herkömmlichen CVI-Prozess und des CMC hergestellt durch das Hybridverfahren. In den Zeichnungen geben 01, 02 Daten vor dem Wasserabschrecktest an, 03 bis 06 geben Daten an, nachdem der Wasserabschrecktest einmal durchgeführt wurde, und 07 bis 10 geben Daten an, nachdem der Wasserabschrecktest zehnmal durchgeführt wurde. Des weiteren stellen in den Zeichnungen 03, 04, 07, 08 den Wasserabschrecktest von 700°C dar, wohingegen 05, 06, 09, 10 den Wasserabschrecktest von 900°C angeben.
Aus den 3 und 4 wird deutlich, dass keine deutliche Verringerung der Festigkeit auftrat, nachdem die thermische Schocküberprüfung einmal durchgeführt wurde, die Überlebensfestigkeit verringerte sich jedoch sowohl bei 700°C als auch bei 900°C, nachdem die thermische Schocküberprüfung zehnmal durchgeführt wurde.
Des weiteren betrug die Überlebensfestigkeit, wie in 3 dargestellt, von CMC (CVI Matrixtyp), welches nur durch den CVI-Prozess hergestellt wurde, ungefähr 80% nach zehn thermischen Schocküberprüfungen von 700°C und ungefähr 30% nach 10 thermischen Schocküberprüfungen von 900°C. Daher wurde in dem CVI-Matrixtyp eine schnelle Festigkeitsverringerung durch eine Temperaturerhöhung von 200°C bewirkt.
Auf der anderen Seite lag, wie in 4 dargestellt, bei CMC (Hybrid-Matrixtyp), hergestellt durch die Hybridbehandlung, die Überlebensfestigkeit nach 10 thermischen Schocküberprüfungen von 700°C ähnlich bei ungefähr 80%, nach 10 thermischen Schocküberprüfungen von 900°C jedoch bei ungefähr 60%. Daher wird deutlich, dass bei dem Hybridmatrixtyp die Festigkeitsverringerung durch die Temperaturerhöhung von 200°C auf 900°C von 700°C deutlich weniger beeinflusst wurde. Werden daher der Matrixtyp und der Hybridtyp miteinander verglichen, kann man festhalten, dass der Hybridtyp bezüglich der thermischen Schockbeständigkeit überragend ist.
10. Betrachtungen für die thermische Schocküberprüfung
Das Biot Modul β wird im allgemeinen verwendet, um das Maß des thermischen Schocks zu beschreiben. Das Biot Modul β wird im allgemeinen in der Gleichung 1 definiert. Hierbei stellt h den thermischen Leitfähigkeitsmodul der Oberfläche dar, k stellt die thermische Leitfähigkeit dar und r stellt die Hälfte einer Dicke des Teststücks dar. Des weiteren in dem Fall der Wasserkühlung, beträgt h ungefähr 4.200 bis 42.000 W/(m²K) und der Biot-Modul β wird wie in Tabelle 2 dargestellt bestimmt.
[Gleichung 1]
[Tabelle 2] Biot-Modul und Parameter der thermischen Schocküberprüfung
Man nimmt an, dass die Zugfestigkeit durch den Faserbruch reduziert wird. Wenn eine Festigkeitsverringerung durch thermische Zyklen untersucht wird, wird erwartet, dass der Faserbruch kontinuierlich erzeugt wird. Eine maximale Zugfestigkeit der Oberfläche kann in Gleichung 2 unter Verwendung des Biot Moduls β bestimmt werden. Hierbei stellt E Young's Modul dar, α stellt den thermischen Ausdehnungskoeffizient dar, ν stellt das Poisson's Verhältnis dar, ΔT stellt den Temperaturunterschied dar (in der Nähe der Wasserabschrecktemperatur) und σ* stellt die nichtdimensionale Spannung dar.
[Gleichung 2]
5 ist eine Kurve, welche ein Verhältnis zwischen dem Volumenverhältnis (VCVI / Vm) und der maximalen Zugspannung der CVI-Matrix in der Matrix zeigt. In der Zeichnung stellt eine obere Linie einen Fall dar, bei dem h 17.000 W (m²K) ist, während eine untere Linie einen Fall darstellt, bei welchem h 5.000 W (m²K) ist.
Wie aus der Gleichung 2 und 5 deutlich wird, hängt die maximale Zugspannung mehr von dem Young's Modul als von der thermischen Leitfähigkeit ab. Aus Tabelle 2 zeigt sich, dass die thermische Leitfähigkeit der CVI-Matrix 1,4 mal der der Hybridmatrix beträgt, der Young's Modul entspricht jedoch dem zweifachen Wert der Hybridmatrix. Beträgt die thermische Leitfähigkeit 17.000, das Poisson-Verhältnis 0,2 und der thermische Ausdehnungskoeffizient 3 × 10^–6, liegt die maximale Zugspannung des CVI-Typs bei ungefähr 300 MPa, wohingegen die des Hybridtyps nur ungefähr 200 MPa beträgt. Diese Überlegenheit stimmt mit dem Zugüberprüfungsversuch überein.
Daher ist im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock der Hybridtyp überragend, da er die thermische Spannung reduzieren kann (maximale Zugspannung).
6 zeigt eine Kurve, welche ein Verhältnis zwischen dem Volumenverhältnis der Matrix, hergestellt durch den CVI-Prozess in der gesamten Matrix und das Young's Modul von CMC, darstellt. In der Zeichnung zeigt die Abszisse das Volumenverhältnis der Matrix durch den PIP-Prozess. Des weiteren stellt die Ordinate Young's Modul von CMC dar.
Wie oben bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben, ist das Volumenverhältnis der in dem CVI-Prozess synthetisierten Matrix auf ungefähr 5% oder mehr und ungefähr 80% oder weniger eingestellt. Aus 6 wird deutlich, wenn das Volumenverhältnis in dem Bereich eingestellt ist, kann das Young's Modul auf ungefähr 30 bis 70% reduziert werden, im Vergleich mit dem herkömmlichen CMC, hergestellt nur durch den CVI-Prozess (Abszisse 1,0). Wenn das Volumenverhältnis weniger als 5 beträgt, verringern sich des weiteren die dichten Matrizen, welche die keramischen Fasern umgeben, und die Oxidationsbeständigkeit wird verringert. Wird des weiteren 80% überschritten, ist das Verringerungsverhältnis des Young's Modul gering, und die Be ständigkeit gegenüber thermischen Schock, welcher später beschrieben wird, kann nicht ausreichend erhöht werden.
7 zeigt Aufnahmen des CMC's, welches nur durch CVI-Prozess hergestellt wurde, und des Verbundelementes auf Keramikbasis der vorliegenden Erfindung. In der Zeichnung zeigen die zwei Aufnahmen der 7A CMC's, welche nur durch den CVI-Prozess hergestellt wurden, das heißt CVI-Matrixtyp, während die zwei Aufnahmen der 7B CMC's des Hybridprozesses zeigen, das heißt Verbundelement auf Keramikbasis gemäß der vorliegenden Erfindung (Hybridmatrixtyp).
Aus 7A wird deutlich, dass die dichte Matrix um die keramischen Fasern durch den CVI-Prozess gebildet wird. Da die Bindekraft der keramischen Faser stark ist, wird das Young's Modul hoch und die nachfolgenden Eigenschaften der Matrix bezüglich Faserdeformierung ist gering. Wenn der thermische Schock aufgenommen wird, erstrecken sich die Risse bis zu den Fasern. Es wird daher angenommen, dass die Zugfestigkeit deutlich verringert wird.
Auf der anderen Seite wird aus 7B deutlich, dass die dichte Matrix um die keramische Faser durch den CVI-Prozess gebildet wird, es gibt jedoch eine Spalte zwischen den Matrixen und die Spalte wird mit der Matrix durch den PIP-Prozess infiltriert/angefüllt. Des weiteren sind eine große Anzahl von feinen Rissen in der Matrix vorhanden (PIP-Matrix). Da die Bindungskraft der keramischen Faser durch die PIP-Matrix schwach ist, wird daher eine Art weicher Struktur gebildet, das Young's Modul wird verringert, und als ein Ergebnis wird die thermische Spannung verringert, während die Beständigkeit gegen thermischen Schock gesteigert wird.
Bei dem zuvor genannten Verfahren (Hybridprozess) der vorliegenden Erfindung wird eine dichte Matrix um die keramische Faser durch den CVI-Prozess gebildet, und die Spalte wird mit der Matrix durch den PIP-Prozess infiltriert/angefüllt.
Daher ist der PIP-Prozess bezüglich seiner Matrixbildungsgeschwindigkeit schneller als der CVI-Prozess und kann in einem kurzen Zeitraum wiederholt werden. Indem der PIP-Prozess wiederholt wird, können die nach dem CVI-Prozess gebildeten Spalten gefüllt werden, um die hermetischen Eigenschaften zu steigern.
Da feine Risse in der Matrix durch den PIP-Prozess vorhanden sind, ist des weiteren die Bindungskraft der keramischen Faser schwach. Daher kann, wenn der PIP-Prozess zusätzlich zu dem CVI-Prozess eingesetzt wird (d. h. das Volumenverhältnis der Matrix durch den CVI-Prozess in der Gesamtmatrix wird auf ungefähr 5% oder mehr, ungefähr 80% oder weniger eingestellt), das Young's Modul im Vergleich mit herkömmlichen CMC's reduziert werden, die nur durch den CVI-Prozess hergestellt werden. Als ein Resultat wird die thermische Spannung vermindert, während die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock gesteigert wird.
Des weiteren umfasst das Verbundelement auf Keramikbasis, welches wie oben beschrieben gebildet ist, eine SIC-Matrix, gebildet auf einer Oberfläche eines geformten Gewebes, und eine Matrix, gebildet in einer Spalte einer dichten Matrix mit feinen Rissen. Da die Bindungskraft der keramischen Faser durch die Matrix mit feinen Rissen so schwach ist, dass eine Art weicher Struktur gebildet wird, verringert sich das Young's Modul, die thermische Spannung wird gemindert und die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock gesteigert.
Daher weisen das Verbundelement auf Keramikbasis und dessen Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung überragende Vorteile auf, zum Beispiel können die hermetischen Eigenschaften und die Beständigkeit gegenüber thermischen Schock deutlich gesteigert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundelementes auf Keramikbasis umfassend folgende Schritte: – Durchführen eines C-CVI Prozesses, wobei der C-CVI Prozess auf ein geformtes Fasergewebe angewendet wird, – Durchführen eines CVI Prozesses um eine SiC Matrix auf einer Oberfläche eines geformten Gewebes zu bilden, und anschließend Durchführen eines PIP Prozesses um eine Spalte in der Matrix mit einem organischen Siliziumpolymer zu tränken, als eine Basis um eine Pyrolyse durchzuführen, und – Formen einer äußeren dichten Matrix auf der Oberfläche der während des PIP Prozesses gebildeten Matrix, indem eine weitere CVI Behandlung durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung des Verbundelementes auf Keramikbasis gemäß Anspruch 1, wobei der PIP Prozess durchgeführt wird, nachdem ein Volumenverhältnis der CVI Matrix ungefähr 5% oder mehr oder ungefähr 80% oder weniger beträgt.
Verbundelement auf Keramikbasis erhaltbar durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
Verbundelement auf Keramikbasis nach Anspruch 3, wobei das geformte Gewebe aus SiC-Fasern gebildet ist.