DE69925789T2

DE69925789T2 - Bauteil für Bremsen

Info

Publication number: DE69925789T2
Application number: DE69925789T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kagamihara-city Hanzawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-09-08
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: EP0985647B2; DE69925789T3; EP0985647B9; EP0985647A3; EP1623966A1; JP2000081062A; EP0985647A2; DE69925789D1; US6521344B1; EP0985647B1

Description

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verwendung eines Faser-Kompositmaterials als Bauteil für Bremsen in großen Erdtransportmaschinen, zum Beispiel einem eingebauten Bauteil für Bremsen, welches mit einer Geschwindigkeitskontrollvorrichtung verbunden ist, und als Reibmaterial für Bremsschreiben zur Geschwindigkeitskontrolle oder Anhalten von großen Kraftfahrzeugen verwendet wird.
Stand der Technik
Kohlefaser-Komposite (hiernach als C/C bezeichnet), welche leichtgewichtig und derzeit dafür bekannt sind, einen extrem hohen Reibungskoeffizienten unter den Bedingungen von hohen Temperaturen aufzuweisen, werden weitgehend als Reibungsmaterial verwendet, das mit einer Kontrollvorrichtung für große Kraftfahrzeuge wie einer großen Erdtransportmaschine verbunden ist.
Abhängig von Veränderungen in den Betriebsbedingungen können lange kontinuierliche Zeiträume des Bremsens oder häufiges Treten der Bremsen notwendig werden, um diese Typen von großen Erdtransportmaschinen anzuhalten. Als solches wird in dem Fall, in dem C/C als ein Reibungsmaterial in der Bremsvorrichtung verwendet wird, die Bremsvorrichtung unter hoher Temperatur für eine lange Zeitspanne in einer offenen Atmosphäre arbeiten. Weil folglich Kohlefasern, welche im allgemeinen leicht bei hohen Temperaturen brennen, als Hauptkomponente für diese Reibungsmaterialien verwendet werden, wurden Fälle berichtet, in denen unter solchen Bedingungen eine Reaktion mit Sauerstoff eintrat und die Reibungsmaterialien nicht nur bemerkenswertem Verschleiß unterlagen, sondern diese auch Rauch erzeugten, was, wie berichtet wurde, kurz vor großen Unfällen aufgetreten ist. Derzeit gibt es jedoch keine erhältlichen Ersatzrohmaterialien, wenn man die hohe Reibungskraft, welche unter hohen Temperaturen eintritt, und die Effizienz der Flexibilität und dergleichen in Betracht zieht, welche zu dem Zeitpunkt benötigt wird, zu dem die Scheibenbremse betätigt wird.
Ein Beispiel, in dem C/C als ein Reibungsmaterial in einer Bremsvorrichtung verwendet wird, ist in DE-A-44 38 456 offenbart. Dieses Dokument bezieht sich auf ein Bremsenbauteil, welches in mindestens einen Kernkörper und einen Reibungskörper unterteilt ist, die aus einem kohlefaserverstärkten, porösen Kohlenstoffmaterial hergestellt wurde, dessen Poren mit Silicium infiltriert sind. Das Kohlenstoffmaterial wird aus einem vorläufigen Körper hergestellt, welcher aus kohlenstoffreichen Polymeren als Matrix und endlosen Kohlefasern besteht. Die kohlenstoffreichen Polymere werden durch Pyrolyse in glasförmigen Kohlenstoff umgewandelt, so daß das kohlefaserverstärkte poröse Kohlenstoffmaterial erhalten wird. Durch Infiltrieren des Siliciums in die Poren wird eine dichte Kompositstruktur erhalten, welche aus Kohlefaserclustern besteht, welche durch SiC (Siliciumcarbid) Schutzschichten umgeben sind.
GB-A-1 457 757 ist auf Kohlefaser/Kohlenstoff-Kompositmaterialien gerichtet, welche mit Silicium imprägniert sind.
EP-A-1 028 099 offenbart ein Faser-Kompositmaterial, das ein Fadenaggregat umfaßt, in welchem der Faden mindestens ein Bündel von Kohlefasern und eine Kohlenstoffkomponente außer der Kohlefaser umfaßt, und dreidimensional kombiniert ist, und eine Matrix aus Si-SiC-basiertem Material zwischen die benachbarten Fäden in dem Fadenaggregat gefüllt ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Verwendung von Reibungsmaterialien für Bremsen zur Verfügung zu stellen, welche die exzellenten Merkmale von Schlagfestigkeitseigenschaften und leichtem Gewicht der C/C-Komposite aufrecht erhalten, und Reibungsmaterialien für Bremsenanwendungen zur Verfügung zu stellen, welche selbst in dem Fall, in dem Reibungsmaterialien für die Bremsen von großen Erdtransportmaschinen verwendet werden, dazu fähig sind, den bestehenden Bedarf für häufige Austausche der Bremsklötze zu verhindern, da in dem C/C-Komposit in einer Sauerstoffumgebung und unter hohen Temperaturen unvermeidlich schwerer Verschleiß auftreten wird.
Die Erfinder haben intensiv studiert und haben gefunden, daß die vorstehend genannten Ziele durch Verwendung eines Faser-Kompositmaterials erreicht werden können, welches die exzellenten Merkmale der Schlagfestigkeitseigenschaften und eines leichten Gewichts aufrecht erhalten. Es ist fähig, dem Verschleiß in einer Sauerstoffumgebung, in der hohe Temperaturen auftreten und in der andere Scheibenbremsen-Reibungsmaterialien zusammengebrochen wären, ausreichend zu widerstehen. Häufiges Austauschen, wie es mit dem C/C-Komposit notwendig ist, wird nicht notwendig. Eine intermittierende Verwendung ist möglich. Das Faser-Kompositmaterial wird durch einen Faden hergestellt, welcher mindestens ein Bündel von Kohlefasern und eine andere Kohlenstoffkomponente als die Kohlenfasern einschließt, welche zu einer Anordnung von Fäden dreidimensional kombiniert und integral so gebildet ist, daß die Separation der Kohlefaserbündel und der Kohlenstoffkomponente verhindert wird. Der Zwischenraum zwischen den benachbarten Fäden wird dann mit einer Matrix gefüllt, welche aus einem Si-SiC-basiertem Material hergestellt ist. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage des zuvor genannten Befundes abgeschlossen.
Das Faser-Kompositmaterial, welches zum Herstellen von Reibungsmaterialien für Bremsen (hiernach manchmal nur als Bauteil für Bremsen bezeichnet) der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird einheitlich in den Zwischenräumen der Anordnung von Fäden gebildet, welche von Kohlenfasern abgeleitet wurde, die dreidimensional kombiniert und integral so gebildet ist, daß eine Separation durch eine Matrix verhindert wird, welche aus Si-SiC-basiertem Material abgeleitet wurde. In dem hiernach angegebenen Fall, in dem Schichten der Matrizes, welche aus Si-SiC-basiertem Material hergestellt wurden, zur Verfügung gestellt werden, ist die Dicke der Schichten bevorzugt 0,01 mm oder mehr, insbesondere bevorzugt 0,05 mm oder mehr und am besten 0,1 mm oder mehr.
Zusätzlich weisen für das Faser-Kompositmaterial, welches dazu verwendet wird, die Reibungsmaterialien für Bremsen herzustellen, die Matrizes ein graduelle Zusammensetzung auf, in welcher die Gehaltsrate von Silicium in Proportion zu dessen Abstand von dem zuvor genannten Faden höher wird. Ebenso können entweder 1, 2 oder mehrere der Materialien Bornitrid, Bor, Kupfer, Wismut, Titan, Chrom, Wolfram oder Molybdän in dem Faser-Kompositmaterial eingeschlossen sein. Ferner ist bei normaler Temperatur der dynamische Reibungskoeffizient für das zuvor genannte Reibungsmaterial für Bremsen bevorzugt 0,05 bis 0,06. Wenn die Temperatur steigt, ist es bevorzugt, daß der dynamische Reibungskoeffizient dementsprechend steigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche schematisch die Struktur einer Anordnung von Fäden einer grundlegenden Struktur eines Faser-Kompositmaterials zeigt, welches für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2a ist eine Querschnittsansicht, welche entlang der Linie IIa-IIa aus 1 aufgenommen wurde.
2 ist eine Querschnittsansicht, welche entlang der Linie IIb-IIb aus 1 aufgenommen wurde.
3 ist eine Ausschnittsvergrößerung von 2a.
4 ist eine teilweise perspektivische Querschnittsansicht, welche einen Überblick über eine andere mögliche Ausführungsform des Faser-Kompositmaterials zeigt, das für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
5 ist eine schematisch gezeigte Querschnittsstruktur eines Faser-Kompositmaterials, welches für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
6 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Temperatur und einer Abnahme des Gewichts eines Faser-Kompositmaterials für ein Bauteil zeigt, das für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine aus Si-SiC Material hergestellte Schicht ist auf einem Ausgangsmaterial aus einem C/C-Komposit angeordnet, so daß das Kompositmaterial aus Keramiken, Metall und Kohlenstoff für die Reibungsmaterialien für die Bremsen der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
Hiernach wird das Faser-Kompositmaterial für die Reibungsmaterialien beschrieben, das für die Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Die kumulativen Verbesserungen, welche für die grundliegende Struktur des bekannten C/C-Komposits gemacht wurden, bauen ein neues Konzept von Materialien auf.
Grundlegende Materialien werden dazu verwendet, ein C/C-Komposit in dem folgenden bekannten Verfahren herzustellen. Mehrere hundert bis mehrere zehntausend Stücke, gewöhnlicherweise von Kohlenfasern mit einem Durchmesser von etwa 10 μm, werden gebündelt, so daß Faserbündel (Fäden) erhalten werden. Die Faserbündel werden zweidimensional oder dreidimensional angeordnet, so daß entweder eine eindirektionale Lage (UD-Lage) oder verschiedene Arten von Geweben gebildet werden. Diese Lagen oder Gewebe werden laminiert, so daß ein vorgeformtes Produkt mit einer vorbestimmten Form (Faservorform) gebildet wird. Aus Kohlenstoff hergestellte Matrizes werden in dem vorgeformten Produkt durch das CVI-Verfahren (chemisches Gasphasen-Infiltrations-Verfahren) oder durch anorganische Polymerimprägnierung/Sinterverfahren durchgeführt, um ein C/C-Komposit zu erhalten. Für das in der vorliegenden Erfindung zu verwendende C/C-Komposit ist ein Kohlenstoffpulver, spezieller ein Kohlenstoffpulver, das zu Graphit umgewandelt wurde, als die andere Kohlenstoffkomponente als die Kohlenfaser in dem Faden.
Die Struktur der Kohlefasern des zuvor genannten Faser-Kompositmaterials der vorliegenden Erfindung, welches eine C/C-Komponente als sein Ausgangsmaterial aufweist, ist sehr einheitlich, indem es ohne Zusammenbrechen aufrecht erhalten werden kann. Zusätzlich dazu wird der Zwischenraum in der Anordnung von Fäden zwischen den benachbarten Fäden mit winzig strukturierten Matrizes aus Si-SiC Grundmaterial gefüllt.
In der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck „Si-SiC-basiertes Material" ein allgemeiner Ausdruck für Materialien, welche Silicium und carbonisiertes Silicium enthalten. Dieses Si-SiC-basierte Material wird wie nachstehend gezeigt hergestellt. In dem Fall der vorliegenden Erfindung wird ein C/C-Komposit oder ein Preßkörper davon mit Silicium imprägniert. Zu diesem Zeitpunkt tritt eine Reaktion zwischen dem Silicium und den Kohlenstoffatomen, welche die Kohlefasern bilden, und/oder zwischen den freien Kohlenstoffatomen, welche auf der Oberfläche der Kohlefaser vorhanden sind, in dem Komposit ein, das einen Anteil von Silicium herstellt, der in der äußersten Oberfläche des C/C-Komposits und/oder in den Zwischenräumen zwischen den Fäden carbonisiert wurde, welche aus Kohlefasern hergestellt sind. Auf diese Weise werden Matrizes, welche carbonisiertes Silicium enthalten, in den Zwischenräumen zwischen den Fäden gebildet. Die Matrizes können einige Zwischenphasen von der Silicium-Phase zu der im wesentlichen reinen Siliciumcarbid-Phase enthalten, in welcher Silicium im wesentlichen rein verbleibt. Das heißt, die Matrizes sind typischerweise aus der Silicium-Phase und der Siliciumcarbid-Phase zusammengesetzt. Die Matrizes können aber auch die koexistierende Si-SiC-Phase enthalten, beruhend auf Silicium und in welcher der Kohlenstoffgehalt sich als Gradient zwischen der Silicium-Phase und der Siliciumcarbid-Phase ändert. Folglich ist Si-SiC-basiertes Material ein allgemeiner Ausdruck für das Material, in welchem sich die Kohlenstoffkonzentration von 0 Mol-% bis 50 Mol-% in einem solchen Si-SiC System ändert.
In dem vorstehend genannten Faser-Kompositmaterial, welches als Rohmaterial für die Reibungsmaterialien für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, umfaßt die Matrix bevorzugt die Siliciumcarbid-Phase, die entlang der Oberfläche des Fadens gewachsen ist. In diesem Fall ist die Festigkeit jedes individuellen Fadens weiter verbessert und das Faser-Kompositmaterial wird schwieriger zu beschädigen.
Ferner umfassen in dem vorstehenden Faser-Kompositmaterial die Matrizes bevorzugt die Silicium-Phase, die aus Silicium besteht. Die Siliciumcarbid-Phase wurde zwischen dieser Silicium-Phase und dem Faden gebildet. In diesem Fall wird die Oberfläche des Fadens durch die Siliciumcarbid-Phase verfestigt. Zur gleichen Zeit wird die Mikroverteilung von Spannung weiter gefördert, weil der Mittelteil der Matrizes aus einer Silicium-Phase zusammengesetzt ist, die eine relativ niedrige Härte aufweist.
In dem Faser-Kompositmaterial weisen die Matrizes bevorzugt eine graduelle Zusammensetzung auf, in welcher die Gehaltsrate von Silicium entsprechend seinem Abstand von der Oberfläche des Fadens höher wird.
In dem Faser-Kompositmaterial umfaßt die Anordnung von Fäden bevorzugt mehr als ein Faden-Anordnungselement, wobei jedes Faden-Anordnungselement durch Anordnungen von mehr als einem Faden zu einer zweidimensionalen nahezu parallelen Richtung gebildet und durch jede der Faden-Anordnungselemente laminiert wird. Das Faser-Kompositmaterial weist daher eine laminierte Struktur auf, in welcher die Faden-Anordnungselemente eine Vielzahl von Schichten aufweisen, die in einer unilateralen Richtung laminiert und befestigt sind.
In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, daß die Richtung der Menge jedes Fadens in den Faden- Anordnungselementen benachbart zueinander einander überschneiden. Die Verteilung von Spannung wird damit weiter gefördert. Insbesondere bevorzugt überschneidet die Richtung der Länge jedes Fadens in den Faden-Anordnungselementen benachbart zueinander einander bei rechten Winkeln.
Bevorzugt bilden die Matrizes eine dreidimensionale Netzwerkstruktur durch ihre Aneinanderreihung in dem Faser-Kompositmaterial. In diesem Fall sind die Matrizes insbesondere bevorzugt in jedem der Faden-Anordnungselemente zweidimensional in einer nahezu parallelen Richtung angeordnet. Die Matrizes wachsen in jeder der Faden-Anordnungselemente benachbart zueinander durch Anordnung in Reihe miteinander, so daß eine dreidimensionale Gitterstruktur gebildet wird. Der Zwischenraum zwischen den benachbarten Fäden kann zu 100% oder in manchen Fällen teilweise mit den Matrizes gefüllt werden.
Ein Faser-Kompositmaterial, welches für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, das aus synthetischem Kompositmaterial aufgebaut ist, wird durch eine spezielle Menge des Ausgangsmaterials aus C/C-Komposit hergestellt und als Matrizes in der Form eines dreidimensionalen Gitters und in dem Zwischenraum zwischen der zuvor genannten Anordnung von Fäden gebildet, welche die Ausgangsmaterialien, ein Si-SiC-basiertes Material und Fäden aufbauen.
Bei normalen Temperaturen ist der Koeffizient der Reibungsbewegung für das Reibungsmaterial für Bremsen der vorliegenden Erfindung 0,05 bis 0,06. Die schlechte Oxidationsfähigkeit des C/C-Komposits wird durch Bilden von Matrixschichten überwunden, welche Si-SiC-basierte Materialien auf der Oberfläche aufbauen, wodurch das Ziel eines Materials realisiert werden kann, das als Reibungsmaterial für Bremsen verwendet wird, welche unvermeidbar hohen Temperaturen in der Gegenwart von Sauerstoff ausgesetzt sind. Unter diesen Bedingungen von 500°C ist der Verschleiß 1% für weniger als 1 Stunde bis bevorzugt 0,06% für weniger als 1 Stunde, so daß ein exzellentes Gegenmittel gegen den Verschleiß zur Verfügung gestellt wird.
Weil das C/C-Komposit mit leichtem Gewicht als Ausgangsmaterial verwendet wird, gibt es beim Einbau in große Erdtransportmaschinen keinen wesentlichen Einfluß auf den Treibstoffverbrauch, und daher keinen Anstieg des großen Energieverbrauchproblems, weil dieses Material mit energiesparenden Anforderungen übereinstimmt.
Da zusätzlich C/C das Ausgangsmaterial ist, ist es sehr fest, sehr hart und weist exzellente Schlagfestigkeit auf. Folglich wurden die einzelnen Punkte des originalen C/C-Komposits aufrecht erhalten und der Nachteil des schwachen Widerstands gegen hohe Reibungstemperaturen wurde eliminiert.
Da ein C/C-Komposit ferner eine Reihe von offenen Poren aufweist, gestattet die Bildung von Si-SiC mit Imprägnierung den Aufbau einer kontinuierlichen Struktur und dann eines dreidimensionalen Netzwerks. Folglich gibt es ungeachtet, welcher Teil heruntergeschnitten wird, verglichen mit dem Grundmaterial C/C-Komposit ein höheres Niveau von Verschleißwiderstand als das originale C/C-Komposit. Die hohe Wärmestrahlung und Elastizität werden aufrecht erhalten.
Zusätzlich weist das vorstehende C/C-Komposit Matrizes auf, welche mit Kohlenstoff in den Zwischenräumen zwischen den Kohlefasern einer zwei- und dreidimensionalen angeordneten Struktur gebildet sind. Solange jedoch 10 bis 70% aus Kohlefasern hergestellt ist, kann der verbleibende Rest zum Beispiel aus Nicht-Kohlenstoff-Elementen wie Bornitrid, Bor, Kupfer, Wismut, Titan, Chrom, Wolfram oder Molybdän bestehen.
In dem Fall, in dem ein Material mit einer Matrizesschicht auf der Oberfläche und hergestellt aus Si-SiC-basiertem Material verwendet wird, wird das Si-SiC-Material das Ausgangsmaterial schützen. Weil die Geschwindigkeit der Bildung des schützenden geschmolzenen Glases gegen Sauerstoff schneller ist, als die der Geschwindigkeit der Diffusion in das innere Ausgangsmaterial, kann es das Ausgangsmaterial vor Oxidation schützen. Auf diese Weise zeigt in dem Fall eines Bauteils für Bremsen der vorliegenden Erfindung dieses selbstreparierende Eigenschaften. Dadurch ist ein verlängerter Einsatzzeitraum möglich. Diese Wirkung wird nicht entgegengesetzt beeinflußt, selbst wenn Si eine dritte Komponente wie Bornitrid, Kupfer oder Wismut oder dergleichen enthält.
Da zusätzlich der Wärmeausdehnungskoeffizient von SiC-Materialien größer ist als der von einem C/C-Komposit, gibt es die Befürchtung, daß sich eine Schicht aus einem SiC-Material unter Bedingungen von hoher Temperatur, welche während langer Zeiträume des Bremsens auftreten können, abschälen wird. Andererseits kann jedoch das Abschälen, das in dem Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten begründet liegt, verhindert werden, da Si-SiC-basiertes Material auf dem gleichen Niveau des Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der des C/C-Komposits liegt. Auf diese Weise kann ein Bauteil für Bremsen mit diesen exzellenten Eigenschaften erhalten werden.
Unter Verwendung der Zeichnungen für das Faser-Kompositmaterial, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird eine mehr in die Tiefe gehende Erklärung gegeben.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche schematisch die Idee einer Anordnung von Fäden zeigt. 2A ist eine Querschnittsansicht, welche entlang der Linie IIa-IIa aus 1 aufgenommen ist, und 2B ist eine Querschnittsansicht der Linie, welche entlang IIb-IIb aus 1 aufgenommen wurde. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 2A.
Das Skelett des Faser-Kompositmaterials 7 umfaßt die Anordnung von Fäden 6. Die Anordnung von Fäden 6 ist aufgebaut durch Laminieren der Faden-Anordnungselemente 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F aufwärts und abwärts. In jedem der Faden-Anordnungselemente ist jeder der Fäden 3 zweidimensional angeordnet und die Richtung der Länge jedes Fadens ist nahezu parallel zueinander. Die Richtung der Länge jedes Fadens in jedem der Faden-Anordnungselemente benachbart zueinander aufwärts und abwärts überschneidet sich mit einem rechten Winkel. Das heißt, die Richtung der Länge jedes Fadens 2a in jedem der Faden-Anordnungselemente 1A, 1C, 1E ist parallel zu den anderen, und die Richtung der Länge davon überschneidet die Richtung der Länge, bei rechten Winkeln, von jedem der Fäden 2b in jedem der Faden-Anordnungselemente 1B, 1D, 1F.
Jeder Faden umfaßt ein Faserbündel 3, welches eine Kohlefaser und eine andere Kohlenstoffkomponente als die Kohlenfaser umfaßt. Die Faden-Anordnungselemente werden laminiert, so daß eine Anordnung von Fäden 6, die dreidimensional und im Gitter geformt ist, gebildet wird. Jeder Faden wurde im wesentlichen elliptisch aufgrund des Brechens, welches während des Druckguß-Verfahrens auftritt, das nachstehend beschrieben wird.
In jedem der Faden-Anordnungselemente 1A, 1C, 1E wird der Zwischenraum zwischen den Fäden benachbart zueinander mit den Matrizes 8A gefüllt, wobei jede der Matrizes 8A entlang der Oberfläche des Fadens 2A parallel mit dem Faden entlang rinnt. In jedem der Faden-Anordnungselemente 1B, 1D, 1F wird der Zwischenraum zwischen den Fäden benachbart zueinander mit den Matrizes 8B gefüllt, wobei jede der Matrizes 8B entlang der Oberfläche des Fadens 2B parallel mit dem Faden entlang rinnt.
In diesem Beispiel umfassen die Matrizes 8A und 8B die Siliciumcarbid-Phasen 4A, 4B, die die Oberfläche der Fäden beschichten, und die Si-SiC-basierten Material-Phasen 5A, 5B, in welchen die Rate an enthaltenem Kohlenstoff weniger ist als in den Siliciumcarbid-Phasen 4A, 4B. Die Siliciumcarbid-Phasen können teilweise Silicium enthalten. In diesem Beispiel sind die Siliciumcarbid-Phasen 4A, 4B ebenso zwischen den Fäden 2A, 2B benachbart zueinander aufwärts und abwärts gewachsen.
Jede der Matrizes 8A, 8B rinnt entlang der langen und schmalen Oberfläche des Fadens, bevorzugt linear. Jede der Matrizes 8A und 8B überschneidet bei einem rechten Winkel miteinander. Die Matrizes 8A in den Faden-Anordnungselementen 1A, 1C, 1E und die Matrizes 8B in den Faden-Anordnungselementen 1B, 1D, 1F, welche die Matrizes 8A mit rechten Winkeln überschneiden, sind jeweils in der Lücke zwischen Faden 2A und 2B verbunden. Als Ergebnis bilden die Matrizes 8A, 8B ein dreidimensionales Gitter als ganzes.
1 ist eine teilweise perspektivische Querschnittsansicht des Hauptteils eines Faser-Kompositmaterials einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Beispiel besteht eine Siliciumcarbid-Phase nicht im wesentlichen zwischen Fäden 2A und 2B benachbart zueinander aufwärts und abwärts. In jedem der Faden-Anordnungselemente sind die Matrizes 8A oder 8B individuell zwischen Fäden 2A und 2A oder zwischen Fäden 2B und 2B benachbart zueinander gebildet. Die Formen der Matrizes 8A und 8B sind die gleichen wie in den Beispielen in 1 bis 3, mit der Ausnahme, daß eine Siliciumcarbid-Phase nicht zwischen den einander benachbarten Fäden aufwärts und abwärts besteht. Jede der Matrizes 8A und 8B umfaßt individuell die Siliciumcarbid-Phase 5C, welche in Kontakt mit den Oberflächen der Fäden 2A, 2B gebildet wurde. Die Si-SiC-basierte Material-Phase wurde separat von den Fäden und der Siliciumcarbid-Phase 5C gebildet.
Jede der Si-SiC-basierten Material-Phasen weist bevorzugt eine graduelle Zusammensetzung auf, in welcher die Silicium-Konzentration gemäß des Abstandes von der Oberfläche des Fadens abnimmt, oder bevorzugt eine Silicium-Phase umfaßt.
Wie in 5A gezeigt, sind in den Materialien, welche für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bevorzugt ein C/C-Komposit 15 und die Oberfläche eines C/C-Komposits 15 mit Silicium imprägniert und eine Matrixschicht 13 gebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, daß eine Siliciumschicht 14 auf der äußeren Schicht im Anteil der Matrixschicht 13 gebildet wird. Ebenso ist 11 das Faser-Kompositmaterial und 12 zeigt die Grenze der C/C-Kompositsubstanz an, bevor sie mit Silicium imprägniert wird. Ferner ist es bevorzugt, daß der gesamte Körper des Bauteils für Bremsen der vorliegenden Erfindung aus dem zuvor genannten Kompositmaterial gebildet ist.
Wie in 5 gezeigt, ist es bei den Materialien, welche in einem Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bevorzugt, daß die Matrixschicht 2 nur aus Silicium hergestellt wird, das auf der benachbarten Oberfläche gebildet wurde.
Wenn ein Si-SiC-Material nur auf die Oberfläche des Ausgangsmaterials beschichtet ist, kann sich unter Hochtemperatur-Oxidationsbedingungen eine Schicht aus Si-SiC-Material leicht aufgrund des Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten abschälen. Eine Matrixschicht des Faser-Kompositmaterials jedoch, welche aus Si-SiC-basiertem Material gebildet wurde, weist eine Laminierrichtung auf, welche seine Festigkeit steigert und Abschälen verhindert. Aus diesem Grund kann sie einem Bauteil für Bremsen Dauerhaftigkeit verleihen.
Die Dicke der Matrixschicht 13, welche durch Imprägnieren des Ausgangsmaterials mit Si-SiC-Material gebildet wurde, sollte bevorzugt 0,01 mm oder größer sein, insbesondere bevorzugt 0,05 mm oder größer, und am besten 0,1 mm oder größer. In dem Fall, in dem eine Dicke der Matrixschicht 13 unter 0,01 mm liegt, ist die Dauerhaftigkeit unter hoch oxidativen Bedingungen, welche für ein Bauteil für Bremsen gefordert werden, nicht ausreichend.
Ferner sollte die Si-Konzentration in der Matrixschicht 3 eines Bauteils für Bremsen der vorliegenden Erfindung bevorzugt von der Oberfläche in Richtung der Innenseite kleiner werden.
Diese graduelle Eigenschaft der Si-Konzentration in der Matrixschicht 13 kann eine bemerkenswerte Verbesserung in der ausheilenden Funktion von Fehlern in dem inneren Schichtbereich und dem äußersten Schichtbereich, und den Eigenschaften der Korrosionsverhinderung und der Festigkeit unter stark oxidativen und korrosiven Umständen zur Verfügung stellen. Zusätzlich kann sie Wärmespannungs-Beeinträchtigung in den Materialien aufgrund der Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten verhindern. Da die Si-Konzentration in dem äußersten Schichtbereich relativ höher ist als die Si-Konzentration in dem inneren Bereich, können während des Heizens gebildete Mikrorisse geheilt und die Eigenschaften der Verhinderung von Oxidation aufrecht erhalten werden.
Ebenso können in dem C/C-Komposit, welches für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, 1, 2 oder mehrere der Materialien Bornitrid, Bor, Kupfer, Wismut, Titan, Chrom, Wolfram oder Molybdän eingeschlossen sein.
Da diese Materialien schmierende Eigenschaften besitzen, wie in dem Ausgangsmaterial, welches durch ein C/C-Komposit imprägniert wurde, können die schmierenden Eigenschaften von Fasern aufrecht erhalten werden, wenn eines dieser Materialien zu dem Ausgangsmaterial zugegeben wird, welches aus einem C/C-Komposit zusammengesetzt ist. Dadurch kann ein Abfall der Zähigkeit, selbst in einem Teil des Ausgangsmaterials, welches mit Si-SiC Material imprägniert ist, verhindert werden.
Die Menge an zuzugebendem Bornitrid zum Beispiel würde, beruhend auf 100% des Gewichts eines Ausgangsmaterials, welches aus einem C/C-Komposit zusammengesetzt ist, 0,1 bis 40% des Gewichts betragen. Wenn die Menge unter 0,1% des Gewichts wäre, würden die Wirkungen der schmierenden Eigenschaften von Bornitrid unzureichend sein. In dem Fall, in dem es 40% des Gewichts übersteigt, würde die Zerbrechlichkeit des Bornitrids in dem Bauteil für Bremsen offensichtlich werden.
Auf diesem Weg werden die Fähigkeit zum Schlagwiederstand, extreme Härte und Eigenschaften des leichten Gewichts eines C/C-Komposits mit dem Widerstand gegen Oxidation, nicht abplatzenden Eigenschaften, selbstschmierenden Eigenschaften, Eigenschaften zur Verhinderung von Verschleiß, Korrosionswiderstand und dergleichen des Si-SiC-Materials in einem Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung kombiniert. Ferner weist es selbstreparierende Fähigkeit auf und kann lange Einsatzzeiträume bei hohen Temperaturen unter oxidativen Bedingungen bestehen. Auf diese Weise kann ein Bauteil für Bremsen gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt im Bereich von großen Erdtransportmaschinen verwendet werden.
Das Faser-Kompositmaterial, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, kann bevorzugt mit dem folgenden Verfahren hergestellt werden.
Kohlefaserbündel werden durch Einschließen von gepulvertem Binderpech und Koks in die Bündel hergestellt, die eventuell isolierter Kohlenstoff werden, welcher als Matrizes für Kohlefaserbündel wirkt. Ferner werden die Kohlefaserbündel wenn notwendig durch Einschließen eines Phenolharzpulvers in die Bündel von Fasern hergestellt. Eine weiche Beschichtung aus einem Kunststoff wie einem thermoplastischen Harz wird um die Kohlefaserbündel gebildet, so daß ein weiches Zwischenmaterial erhalten wird. Das weiche Zwischenmaterial wird zu einem Faden geformt, wie es in der Beschreibung von JP-A-2-80639 beschrieben ist. Dann wird eine notwendige Menge der Materialien laminiert und mit einer Heißpresse bei 300°C bis 2000°C und einem Atmosphärendruck von 500 kg/cm² geformt, so daß ein Preßling erhalten wird. Gemäß der Anforderung wird der Preßling bei 700°C bis 1200°C carbonisiert und bei 1500°C bis 3000°C zu Graphit umgeformt, so daß ein gebranntes Produkt erhalten wird.
Die Kohlefaser kann eine der auf Pech beruhenden Kohlefasern sein, die durch Bereitstellen eines Pechs für die Spinnverwendung, Schmelzspinnen des Pechs, und Schmelzbarmachen des Pechs und Carbonisieren des Pechs erhalten wird. Oder sie kann eine auf PNA beruhende Kohlefaser sein, die durch Verleihen der Flammenbeständigkeit einer Akrylnitrilpolymer-(oder Copolymer-)Faser und durch Carbonisieren der Faser erhalten wurde.
Als Vorläuferverbindung für Kohlenstoff, der zum Bilden der Matrizes notwendig ist, können thermisch härtende Harze wie Phenolharze und Epoxyharze, Teer und Pech verwendet werden. Diese können Koks, Metall, Metallverbindungen, anorganische und organische Verbindungen sein.
Danach werden der Preßling oder das gebrannte Produkt, welche in dem vorstehenden Verfahren hergestellt wurden, und Silicium in einem Temperaturbereich von 1100°C bis 1400°C unter einem Druck von 0,1 bis 10 hPa in einem Ofen für 1 Stunde oder mehr gehalten. In dem Prozeß wird bevorzugt ein Inertgas durchgeleitet, um eine Si-SiC-Schicht auf der Oberfläche des Preßlings oder des gebrannten Produkts zu bilden, auf einem solchen Weg, daß 0,1 oder mehr als 0,1 (NL) (Normalliter: entsprechend 5065 Liter bei 1200°C, unter einem Druck von 0,1 hPa) des Gases pro 1 kg des Gesamtgewichts des Preßlings oder des gebrannten Produkts und Silicium fließen. Danach wird die Temperatur auf 1450°C bis 2500°C, bevorzugt auf 1700°C bis 1800°C angehoben, so daß das Silicium schmilzt und in das Innere der Poren des zuvor beschriebenen Preßlings oder gebrannten Produkts imprägniert, so daß ein Si-SiC Material gebildet wird. In dem Verfahren wird in dem Fall, in welchem der Preßling verwendet wird, der Preßling gebrannt, so daß ein Faser-Kompositmaterial erhalten wird.
Der Preßling oder das gebrannte Produkt und Si werden bei einer Temperatur von 1100°C bis 1400°C unter einem Druck von 1 bis 10 hPa für 1 Stunde oder mehr gehalten. In dem Verfahren wird die Menge des zu verwendenden Inertgases auf einem solchen Weg kontrolliert, das pro 1 kg des Gesamtgewichts des Preßlings oder des gebrannten Produkts und Si 0,1 oder mehr als 0,1 NL, bevorzugt 1 oder mehr als 1 NL, insbesondere bevorzugt mehr als 10 NL des Inertgases fließen.
Auf diese Weise ist es in dem Brennverfahren (nämlich in dem Verfahren, in welchem Si noch nicht geschmolzen oder imprägniert wurde) möglich, eine niedrige Porosität des Kompositmaterials aufrecht zu erhalten, das durch Schmelzen und Imprägnieren von Si in dem nachfolgenden Verfahren erhalten wurde, weil eine Atmosphäre eines Inertgases bereitgestellt wurde, die erzeugtes Gas wie CO entfernt, das durch die Veränderung, in welcher anorganisches Polymer oder anorganische Substanz zu Keramik wird, in der Atmosphäre des Brennens erbracht wurde. Dies verhindert die Kontamination der Brennatmosphäre, hervorgerufen durch äußere Faktoren wie O₂ oder dergleichen, welche in der Luft vorhanden sind.
In dem Verfahren, in welchem Si geschmolzen und in den Preßling oder das gebrannte Produkt imprägniert wird, wird die Umgebungstemperatur auf 1450°C bis 2500°C, insbesondere bevorzugt auf 1700°C bis 1800°C angehoben. Dann wird der Druck in dem Brennofen bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 10 hPa gehalten. Wie vorstehend beschrieben, migriert Silicium in den inneren Teil des Preßlings oder des gebrannten Produkts entlang der langen und schmalen Poren, weil die Kombination der Verwendung des weichen Zwischenmaterials, der Imprägnierung von Silicium und dem Schmelzen von Silicium die Rückbehaltung von langen und schmalen Poren zwischen den Fäden in dem gebrannten Produkt oder dem Preßling hervorbringen. In dem Migrationsverfahren reagiert Silicium mit Kohlenstoff in den Fäden und wird graduell von den Oberflächenseiten der Fäden carbonisiert, was das Faser-Kompositmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung herstellen kann. Ebenso ist eine andere Möglichkeit für ein Faser-Kompositmaterial mit dieser Art von Herstellung, das eine Faser-Kompositmaterial-Schicht auf einem Teil des äußeren Schichtanteils des Ausgangsmaterials aus einem C/C-Komposit gebildet werden könnte.
Die Gradierung der Konzentration in dem Si-SiC-basierten Material in der gesamten Matrixschicht wird durch die Porosität und den Durchmesser der Poren im Vergleich zu dem Preßling des gesinterten Körpers kontrolliert. In dem Fall zum Beispiel, in dem die Konzentration einer Si-SiC-basierten Materialschicht höher als jeder andere Anteil bei einer Tiefe von 0,01 bis 10 mm von der Oberflächenschicht des Faser-Kompositmaterials eingestellt wurde, wird die Porosität in dem Anteil mit einer gewünschten hohen Konzentration in dem Preßling oder dem gebrannten Produkt in den Bereich von 5 bis 50% gebracht. Der mittlere Durchmesser der Poren wird 1 μm oder mehr. In den anderen Bereichen wird die Porosität und der mittlere Durchmesser der Poren gleich oder niedriger als der Anteil mit der hohen Konzentration eingestellt. Die Porosität in dem Anteil mit der gewünschten Höhenkonzentration des Preßlings oder des gebrannten Produkts ist bevorzugt 10 bis 50% und der mittlere Durchmesser der Poren ist bevorzugt 10 μm oder mehr. Dies ist der Fall, weil der Binder in dem Preßling oder dem gebrannten Produkt schwer zu entfernen ist, wenn die Porosität weniger als 5% beträgt. Wenn die Porosität 50% übersteigt, imprägniert das Si-SiC-basierte Material tief in den inneren Anteil des Ausgangsmaterials, was die Schlagfestigkeit des Kompositmaterials verringert.
Um die Kompositmaterial-Schicht auf der Oberfläche des C/C-Komposits zu bilden, wird das geformte Produkt bevorzugt verwendet, das so entworfen wurde, daß es eine Porosität von 0,1 bis 30% zumindest in dem Teil nahe der Oberfläche während des Brennens aufweist.
Um die Porosität in dem Komposit oder dem gebrannten Produkt von der Oberfläche zu der Innenseite hin kleiner zu machen, werden eine Vielzahl von vorgeformten Lagen, welche aus vorgeformten Fäden von verschiedenen Binderpechen hergestellt wurden, angeordnet und in einer solchen Art und Weise geformt, daß das Binderpech von der Innenseite zu der Oberflächenschichtseite hin größer wird.
Um die Silicium-Konzentration in der zuvor genannten Faser-Kompositmaterial-Schicht graduell einzustellen, werden das gebrannte Produkt, welches mit einer Porosität in dem Teil nahe der Oberfläche eingestellt wurde, die von der Oberfläche zu der Innenseite hin kleiner wird, oder der Preßling, welcher mindestens in dem Teil nahe der Oberfläche mit einer Porosität eingestellt wurde, die während des Brennens von der Oberfläche zu der Innenseite hin niedriger wird, verwendet, um das Kompositmaterial herzustellen. Das Herstellungsverfahren eines Kompositmaterials, welches durch die zuvor genannten Verfahren für ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, kann durch Verwenden einer Oberflächen-Schleifscheibe abgeschlossen werden, um einen geeignet bemessenen Schneidprozeß anzuwenden. Ein Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung kann als Bremsenmaterial für große Erdtransportmaschinen verwendet werden.
BEISPIEL
Hiernach wird die vorliegende Erfindung in größerem Detail unter Bezug auf Beispiele dargestellt. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele begrenzt ist.
Die Eigenschaften des Kompositmaterials, welches durch jedes Beispiel erhalten wurde, werden durch die Verfahren wie nachstehend beschrieben gemessen.
Verfahren zur Auswertung des dynamischen Reibungskoeffizienten
Das Teststück wird in einer Spannvorrichtung montiert und für 10 Minuten bei 100 U/min gedreht. Das Prüfstück wird gegen ein Partnermaterial (SUJ, 10 mm-Ball) mit einer Last Fp (N) von 2 kg gedrückt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Reibungsfestigkeit gemessen. Der dynamische Reibungskoeffizient wird mit der folgenden Formel berechnet. Reibungskoeffizient μ = Fs/Fp
Verfahren zur Auswertung des spezifischen abrasiven Verschleißes
Das Prüfstück wird in einer Spannvorrichtung montiert und für 10 Minuten bei 100 U/min gedreht. Das Prüfstück wird gegen ein Partnermaterial (SUJ, 10 mm-Ball) mit einer Last P von 2 kg gedrückt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Reibungsfestigkeit gemessen. Das Gewicht vor der Prüfung Wa (mg) und das Gewicht nach der Prüfung Wb (mg) werden gemessen. Der abrasive Verschleiß V (mm³) wird mit der folgenden Formel unter Verwendung der Dichte ρ (g/cm³) des Prüfstücks berechnet. V = (Wa – Wb)/ρ
Der spezifische abrasive Verschleiß Vs (mm³/(N·km)) wird mit der folgenden Formel unter Verwendung des abrasiven Verschleißes V (mm³) der Prüflast P (N) und des Gleitabstandes L (km) berechnet. Vs = V/(P·L)
Verfahren zur Auswertung der Oxidationsbeständigkeit
Die Oxidationsbeständigkeit wurde durch das Auslagern eines Prüfstücks in einem Ofen (1% O₂, 99% N₂) bei 1150°C und dann Messen der Gewichtsverlustrate nach 200 Stunden ausgewertet.
Verfahren zur Auswertung der Druckfestigkeit
Die Druckfestigkeit wird unter Verwendung eines druckbelasteten Prüfstücks mit der folgenden Formel berechnet. Druckfestigkeit = P/A(In der Formel ist P die Last, wenn mit der maximalen Last belastet wird. A ist die minimale Querschnittsfläche des Prüfstücks.)
Verfahren zum Auswerten der Rate der Gewichtsabnahme unter Hochtemperatur-Oxidationsbedingungen
Ein Prüfstück mit festem Gewicht wird bei 400°C für 100 Stunden in einer Umgebungsatmosphäre aufbewahrt und dann das Gewicht gemessen. Das Gewicht nach der Prüfung wird von dem Gewicht vor der Prüfung abgezogen, um die Gewichtsabnahme herauszufinden. Die Rate der Gewichtsabnahme kann durch Anlegen der Gewichtsabnahme auf das Gewicht vor der Prüfung herausgefunden werden.
Verfahren zur Auswertung der interlaminaren Scherfestigkeit
Die interlaminare Scherfestigkeit wird mit der folgenden Formel nach einem Dreipunkt-Biegeversuch unter der Vorraussetzung berechnet, daß der Abstand der Prüfstücksdicke h multipliziert mit 4 der Abstand zwischen den Auflagepunkten ist. Interlaminare Scherfestigkeit = 3P/4bh(In der Formel ist P die maximale Biegelast beim Bruch und b die Breite des Prüfstücks.)
Verfahren zur Auswertung des Biegemoduls
Der Biegemodul wird mit der folgenden Formel unter Verwendung des anfänglichen Gradienten P/σ des geraden Teils der Kraftdurchbiegungskurve nach dem Dreipunkt-Biegeversuch unter der Annahme berechnet, daß der Abstand der Prüfstückdicke h multipliziert mit 40 der Abstand L zwischen den Unterstützungspunkten ist. Biegemodul = ¼·L3/bh3·P/σ(In der Formel ist b die Breite des Prüfstücks.)
Verfahren zur Auswertung der Selbstsanierung
Die Selbstsanierung wird auf einem Prüfstück gemessen, welches nach dem Hervorrufen von Mikrorissen im Inneren durch Aufbringen wiederholter Spannungen von maximal 20 MPa bis minimal 5 MPa in 100.000 Zyklen für 2 Stunden bei 900°C ausgelagert wurde.
Verfahren zum Messen der Temperatur in einer 5%igen Gewichtsverringerung
In einer Atmosphäre mit ausreichender Luftzirkulation wird die Gewichtsänderung der Prüfprobe gemessen, wenn die Temperatur um 10°C pro Minute steigt, bis die Veränderung der Temperatur das Gewicht der Prüfprobe um 5% verringert hat.
Beispiel
Ein Bauteil für Bremsen wurde durch Herstellen eines Faser-Kompositmaterials durch Anordnen einer Matrixschicht, welche aus einem Si-SiC-basiertem Material zusammengesetzt war, auf einem 10 mm dicken C/C-Komposit-Ausgangsmaterial hergestellt. Das Ausgangsmaterial wird mit Si-SiC-basiertem Material imprägniert, so daß eine Faser-Kompositmaterial-Schicht mit einer Dicke von 50 μm gebildet wird.
Das C/C-Komposit wurde durch das hiernach beschriebene Verfahren hergestellt.
Eine mit einem Phenolharz imprägnierte kunststoffimprägnierte Lage und Kohlefasern, welche gezogen und in einer Richtung ausgerichtet sind, werden in Linie miteinander laminiert und das Harz durch Einlegen in eine Heißpresse bei 180°C und 10 kg/cm² gehärtet. Dann wird durch Backen des sich Ergebenden in Stickstoff bei 2000°C ein C/C-Komposit mit einer Dichte von 1,0 g/cm³ und einer Porosität von 50% erhalten.
Das C/C-Komposit wurde dann vertikal in einem Kohlenstofftiegel plaziert, welcher mit einem Siliciumpulver der Reinheit 99,8% mit einer mittleren Teilchengröße von 1 mm gefüllt war. Danach wurde der Tiegel in einen Brennofen bewegt. Das C/C-Komposit wurde unter den folgenden Bedingungen verarbeitet, so daß Silicium in das Komposit imprägniert und das Kompositmaterial hergestellt wurde: eine Brennofentemperatur von 1300°C, eine Flußrate von Argongas als Inertgas von 20 NL/min, ein innerer Ofendruck von 1 hPa, eine Haltezeit von 4 Stunden mit einem Anstieg der Temperatur auf 1600°C unter dem gleichen Ofendruck.
Von den vorstehenden Verbindungsmaterialien wurde unter Verwendung einer Oberflächen-Schleifscheibe das Prüfstück aus der Umgebung der Oberfläche heraus genommen, wo das Si-SiC Material und das C/C-Komposit ausreichend zu einem Komposit verarbeitet wurden. Das Prüfstück hatte eine Länge von 60 mm, eine Breite von 60 mm und eine Dicke von 5 mm. Es wurde dann unter Verwendung eines #800 Wetzsteins seine Oberfläche endbearbeitend poliert, so daß ein Bauteil für Bremsen hergestellt wird. Die polierte Oberfläche des erhaltenen Bauteils für Bremsen weist eine Rauhigkeit von Ra = 1 μm und eine Ebenheit von 2 μm bezüglich der Geradlinigkeit auf.
Die Ergebnisse der Messungen des Reibungskoeffizienten, des spezifischen abrasiven Verschleißes, der Oxidationsbeständigkeit, der interlaminaren Scherfestigkeit, der Druckfestigkeit, des Biegemoduls, der Dauerhaftigkeit des abrasiven Verschleißes unter Hochtemperatur-Oxidationsbedingungen und der Temperatur bei einer 5%igen Gewichtsverringerung für das erhaltene Bauteil für Bremsen werden in Tabelle 1 gezeigt. Ebenso wird die Beziehung zwischen der Temperatur und der Gewichtsverringerung für die Messung der Temperatur bei einer 5%igen Gewichtsverringerung in der graphischen Darstellung 6 gezeigt. Es ist zu beachten, daß der Reibungskoeffizient für die Materialien ein Wert ist, der in einer parallelen Richtung in Relation zu der Laminierrichtung der Fasern bestimmt wurde.
VERGLEICHSBEISPIEL
Ein C/C-Komposit wird in einer ähnlichen Art und Weise zu der des Beispiels hergestellt. Mit einer flachen Schleifscheibe wird das erhaltene C/C-Komposit in einem Verfahren auf einer Höhe von 60 mm, einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 5 mm heruntergeschnitten, und dann unter Verwendung eines #800 Wetzsteins die Oberfläche endbearbeitend poliert, so daß ein Bauteil für Bremsen hergestellt wird.
Die polierte Oberfläche des erhaltenen Bauteils für Bremsen weist eine Rauhigkeit von Ra = 25 μm und eine Ebenheit von 6 μm in Bezug auf die Geradlinigkeit auf. Unter Verwendung der gleichen Verfahren zur Auswertung wie in dem Beispiel werden die Ergebnisse der Leistungsfähigkeiten des erhaltenen Bauteils für Bremsen kombiniert und in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
In Tabelle 1 wird ein Bauteil für Bremsen, welches aus einem Faser-Kompositmaterial hergestellt ist durch einen Faden, welcher mindestens ein Bündel von Kohlenfasern und eine andere Kohlenstoffkomponente als die Kohlefaser enthält, die dreidimensional kombiniert und integral geformt ist, so daß die Separation der Kohlefaserbündel und der Kohlenstoffkomponente verhindert werden, zu einer Anordnung von Fäden hergestellt. Der Zwischenraum zwischen den benachbarten zuvor genannten Fäden wird dann mit Matrizes aus Si-SiC-basiertem Material gefüllt, welche das gleiche Niveau des Reibungskoeffizienten wie C/C-Kompositmaterialien aufweisen, die in einem herkömmlichen Bauteil für Bremsen verwendet werden. Zur gleichen Zeit ist bekannt, daß eine bemerkenswert exzellente Fähigkeit zum Verhindern des Reibungsverschleißes des in einer Atmosphäre in Gegenwart von Sauerstoff unter Bedingung von hohen Temperaturen erhalten wird.
Im Vergleich zu dem C/C-Komposit des Vergleichsbeispiels ist der dynamische Reibungskoeffizient für das Bauteil für Bremsen der vorliegenden Erfindung 1/5 oder weniger. Zusätzlich zeigt im Vergleich zu diesem C/C-Komposit das Objekt der vorliegenden Erfindung einen exzellenten Wert der Druckfestigkeit und der interlaminaren Schwerfestigkeit, und zeigt ebenso einen Wert gleich zu dem des C/C-Komposits für den Biegemodul.
Der Grund, warum die Druckfestigkeit höher wird als die des C/C-Komposits, wenn das Si-SiC-Material imprägniert wird, wird darin gesehen, daß SiC in die Zwischenräume zwischen den Kohlenfasern eingedrungen ist.
Das Bauteil für Bremsen gemäß der vorliegenden Erfindung ist extrem exzellent in der Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen in der Anwesenheit von Sauerstoff. Da darüber hinaus das Bauteil eine Schicht aus Si-SiC-Materialien auf seiner Oberfläche aufweist, das Korrosionsbeständigkeit, Kriechbeständigkeit und Abplatzbeständigkeit besitzt, kann es die niedrigere Oxidationsbeständigkeit überwinden, welches ein Nachteil eines C/C ist. Auf diese Weise kann das Bauteil bei hohen Temperaturen selbst in der Gegenwart von Sauerstoff verwendet werden. Ebenso ist dies kombiniert mit der Qualität von exzellenten Verschleißeigenschaften.
Da darüber hinaus das C/C-Komposit, welches das Ausgangsmaterial ist, leicht ist und einen sehr geringen Energieverlust aufweist, kann es die Anregungen des Energiesparens erfüllen.
Da zusätzlich das C/C-Komposit das Ausgangsmaterial ist, ist die Dauerhaftigkeit gut, die Schlagfestigkeit exzellent, und es weist überragende Härte auf.
Folglich ist dies klar und deutlich ein sehr vielversprechendes Material für ein Bauteil für Bremsen für eine Bremsvorrichtung für große Erdtransportmaschinen, die bei hohen Temperaturen arbeiten, selbst in der Gegenwart von Sauerstoff.
Ein Bauteil für Bremsen, das ein leichtes Gewicht, Eigenschaften der Schlagfestigkeit, exzellente Eigenschaften der Korrosionsbeständigkeit etc., Eigenschaften der hohen abrasiven Verschleißbeständigkeit aufweist und aus Faser-Kompositmaterial hergestellt ist, welches aus einer Anordnung von Fäden umfaßt, in welcher Fäden, die mindestens ein Bündel von Kohlefasern und eine andere Kohlenstoffkomponente als die Kohlenfasern enthalten, dreidimensional kombiniert und integral so geformt ist, daß Separation dazwischen verhindert wird, und Matrizes aus Si-SiC-basiertem Material die Zwischenräume zwischen den Fäden benachbart zueinander in der Anordnung von Fäden füllen.

Claims

Verwendung eines Faser-Kompositmaterials als Bremsenbauteil, das durch Imprägnieren eines Kohlefaser-Komposits mit Silicium so hergestellt wurde, daß als Ergebnis die Räume in dem Kohlefaser-Komposit mit Matrixmaterialien (8A, 8B) gefüllt werden, welche aus auf Si-SiC beruhendem Material hergestellt wurden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlefaser-Komposit eine Anordnung von Fäden (6) ist, wobei jeder Faden (2A, 2B) als ein Faserbündel (3) gebildet ist, welches Kohlenfasern und eine andere Kohlenstoffkomponente als die in dem Bündel enthaltenen Kohlenfasern umfaßt, die als Matrix für die Faserbündel wirkt.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 1, wobei die Matrixmaterialien (8A, 8B) eine Siliciumcarbid-Phase (4A, 4B) aufweisen, welche entlang der Oberfläche jedes Fadens (2A, 2B) gewachsen ist.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 2, wobei die Matrixmaterialien (8A, 8B) eine Silicium umfassende Silicium-Phase (5A, 5B) aufweisen, und die Siliciumcarbid-Phase (4A, 4B) zwischen jeder Silicium-Phase (5A, 5B) und jedem Faden (2A, 2B) gewachsen ist.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 1, wobei die Matrixmaterialien (8A, 8B) eine ungleichmäßige Zusammensetzung aufweisen, in welcher die Menge an Silicium mit ansteigendem Abstand von der Oberfläche jedes Fadens (2A, 2B) ansteigt.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Fäden (6) eine Vielzahl von laminierten Faden-Ausrichtungselementen (1A bis 1F) einschließt, welche jeweils eine Vielzahl von Fäden (2A, 2B) umfassen, die in einer zweidimensionalen und grob parallelen Richtung angeordnet sind.
Verwendung eines Faserkompositmaterials nach Anspruch 1, wobei die Matrixmaterialien (8A, 8B) eine dreidimensionale Netzwerkstruktur in dem Kohlefaser-Kompositmaterial definieren.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 1, wobei das Kompositmaterial bei normalen Temperaturen einen dynamischen Reibungskoeffizienten von 0,05 bis 0,6 aufweist.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 1, wobei das Kompositmaterial einen spezifischen Verschleiß von 0,0 bis 0,3 mm³/N·km aufweist.
Verwendung eines Faser-Kompositmaterials nach Anspruch 1, wobei die Temperatur, welche eine Gewichtsverringerung des Kompositmaterials von 5% in einer Atmosphäre mit ausreichender Luftzirkulation hervorruft, mehr als 600°C beträgt, wenn die Temperatur mit einer Rate von 10°C pro Minute ansteigt.