EP1557819A1 - Schallabsorbierende Struktur - Google Patents

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EP1557819A1
EP1557819A1 EP05400004A EP05400004A EP1557819A1 EP 1557819 A1 EP1557819 A1 EP 1557819A1 EP 05400004 A EP05400004 A EP 05400004A EP 05400004 A EP05400004 A EP 05400004A EP 1557819 A1 EP1557819 A1 EP 1557819A1
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EP
European Patent Office
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structural elements
particles
structure according
hollow
hollow structural
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EP05400004A
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English (en)
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Lothar Schneider
Ulf Waag
Günter Stephani
Wolfgang Hungerbach
Hans Schneidereit
Ralf Kretzschmar
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Glatt Systemtechnik GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Glatt Systemtechnik GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication of EP1557819B1 publication Critical patent/EP1557819B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/162—Selection of materials
    • G10K11/165—Particles in a matrix

Definitions

  • the invention relates to sound-absorbing structures and a method for producing structural elements, used in the structures of the invention become. Especially for applications, where structure-borne noise occurs and a damping needs, can be applied.
  • the invention may conveniently also in the mobile Use find application, in addition to sound-absorbing Features also considered the lightweight aspect can be.
  • hollow elements such as hollow balls.
  • hollow spheres as loose Bulk, analogous to fiber structures but also as cohesively interconnected hollow balls form sound insulating elements.
  • Such hollow spheres or hollow sphere structures can relatively good airborne sound attenuation and the sound level to reduce.
  • the object of the invention is to provide a sound-absorbing To propose structure with consideration the lightweight construction aspect also improved Soundproofing is achievable.
  • the shells of such structural elements can thereby completely closed and tight. You can but also have a certain porosity, wherein just to be sure that the inside Cavity does not trap solid particles can pass through such shells.
  • Hollow structural elements to be used according to the invention optionally also the enclosed ones Hollow bodies can be in the form of spherical ones Have hollow balls. But you can also use other geometric ones Form contours. For the hollow body is to favor a spherical design.
  • hollow structural elements can, as out already known in the art, also as loose bed, but also in the form of a cohesive obtained solid composite, wherein in the latter case lightweight, self-supporting sound-insulating Structures are made available can, which also have a certain amount of mechanical Have strength and within certain limits achieve load-bearing properties.
  • the effect of the sound-absorbing invention Structures can be influenced within relatively wide limits become. For example, the degree of filling with loose, solid particles within the cavities, the respective particle size or a particle size distribution as well as the physical density of the particles suitable parameters.
  • the cavities of the structural elements should be as possible be filled with loose solid particles, the at least a volume of 5% of that of a shell fill in the enclosed cavity.
  • hollow structural elements be advantageously formed in the form of hollow spheres, At least, however, you should have a spherical surface exhibit. But such forms of design are also for those alone or in addition to solid loose particles in hollow structural elements enclosed hollow body suitable.
  • Spherical structural elements can also be used later deformed, for example, if a solid bond from structural elements to a sound-absorbing Lightweight component is desired.
  • the structural elements can have external dimensions / diameter in the range 0.5 to 30 mm and shell thicknesses in Range 10 to 3000 microns have.
  • the hollow structural elements can, as already mentioned, in the form of a loose bed a sound-absorbing Train structure. It exists however also the possibility of cohesive structural elements to join together, which by gluing, Soldering or sintering, is achievable. Hollow structural elements but according to the invention can also within to be shed a matrix, for example with a suitable hardenable plastic or a relatively low-melting metal possible becomes.
  • the solid particles that are in a layer immediately formed on the surface of the polymeric core is, if possible following the expulsion of the organic components (e.g., pyrolysis). This will cause the loose, free moving particles before to form the shell of hollow Structural elements leading to free sintering.
  • a selection of suitable for this purpose Material for the powdered particles, which in the directly on the surface of the polymeric Kerns trained layer are included take into account the respective sintering temperatures. So can be a material for the powdery particles in This layer will be selected, which is a clear higher sintering temperature than the powdered Particles hollow to form the shell Lead structure elements by sintering.
  • the release of the particles from the immediate on formed the surface of the polymeric core Layer during a heat treatment can also be characterized be supported by a high proportion of space-preserving, preferably organic binder components together with powdery particles this layer form.
  • the size / diameter of the Shell hollow structural elements leads. Accordingly should be the inner layer that is directly on the polymeric core was applied, preferably in advance be disintegrated and no own inner shell formed have in direct contact with the the outer shell by sintering forming outer Layer during the actual sintering process, so no residual stresses on such shells be formed and also a cracking of shells be avoided by hollow structural elements can.
  • the freely movable ones contained in hollow structural elements solid particles or hollow bodies should from one for the material, which ultimately the Shell of hollow structural elements forms, inert Be formed materials and no other Have affinities for this material.
  • Suitable materials are, for example, carbides, Nitrides, oxides, silicides or aluminides, also known as Mixture may be included in structural elements. You should, however, the mentioned increased sintering and Adhere to melting temperatures.
  • the particles may preferably be formed from suitable oxides, such as Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 or Y 2 O 3 , in which case the respective sintering temperatures over many suitable metals or metal alloys, which for the formation of shells hollow structural elements by powder metallurgy are suitable lie.
  • suitable oxides such as Al 2 O 3 , MgO, ZrO 2 or Y 2 O 3 , in which case the respective sintering temperatures over many suitable metals or metal alloys, which for the formation of shells hollow structural elements by powder metallurgy are suitable lie.
  • the powdered starting particles used for formed directly on the polymeric core Layer can with particle sizes in the range of 5 nm up to 500 microns are used. particle with sizes above 100 ⁇ m may be preferred in cores embedded by extrusion, powder granulation or pelleting, wherein for further explanations be given below.
  • sound-absorbing structures according to the invention can but also completely hollow structural elements in Compound with the solid particles according to the invention and / or hollow body containing hollow structural elements be used, so that within certain limits a mass reduction can be achieved.
  • the physical density of sound-absorbing structures according to the invention can be kept ⁇ 1 g / cm 3 .
  • this can be done so that on a core, from an organic polymer preferred Fabric, for example, polystyrene a multi-layered Coating is applied, in which case subsequently at least by means of the uppermost layer the final outer shell of the hollow structural elements can be formed.
  • an organic polymer preferred Fabric for example, polystyrene a multi-layered Coating is applied, in which case subsequently at least by means of the uppermost layer the final outer shell of the hollow structural elements can be formed.
  • powdered particles included in individual layers of such a coating.
  • the powdery particles that form the shells of the to form hollow structural elements, from a sinterable Material (metal, ceramic) formed.
  • the powdery particles, at least in the immediate contained on the core layer are, in contrast, however, from a material, the worse or at much higher temperatures, sintered as the actual shell material can be formed.
  • the corresponding coated cores are then hereinafter in a known form of a thermal Undergoing treatment, being in a first Step, optionally after a pre-drying, the organic components are expelled (e.g. Pyrolysis). Subsequently, the temperature is then increased and it takes place to form the closed Peel a sintering, which is then used to trap the non-sintered solid particles within the trapped by shells cavities leads.
  • a thermal Undergoing treatment being in a first Step, optionally after a pre-drying, the organic components are expelled (e.g. Pyrolysis). Subsequently, the temperature is then increased and it takes place to form the closed Peel a sintering, which is then used to trap the non-sintered solid particles within the trapped by shells cavities leads.
  • hollow structural elements in which hollow body are freely movable, can in the directly formed on the polymeric core Layer of powdery particles with high Be included in sintering activity, which is also a smaller Particle size may have, as the powdery Particles formed by sintering to form the Cup of hollow structural elements used are.
  • hollow bodies arranged freely movably in hollow structural elements can be formed from sinter-active metal compounds, preferably oxides selected from Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , CuO, NiO, MoO 3 , WO 3 and CoO, the respective particle size being smaller than 30 ⁇ m , preferably less than 1 micron can be selected.
  • Form shell of the hollow structural elements may be preferred Metal powder, such as iron with copper, whereby the copper infiltrates into an iron shell can be.
  • the particle size of this metal powder should be kept at least 30 microns.
  • the mass should be advantageous in hollow structural elements contained particles or hollow bodies s the mass of the respective shell of a structural element be.
  • organic substances or substance mixtures can known and suitable organic binders / plastics be used.
  • the production of such Cores can, for example, with the help of an extruder respectively.
  • the extrudate can be replaced by a corresponding shaped die to be pressed and a desired assume geometric shape.
  • the from the Die emerging strand can then be divided into individual parts be cut to appropriate length.
  • Cores containing particles can also pass through Powder granulation and other pelleting processes become.
  • the cores thus produced are then treated with at least coated in a layer in which a sinterable powdered Material is included.
  • a temperature treatment the as already described, carried out.
  • a first process step e.g., pyrolysis
  • the organic components are removed from the nucleus and possibly also expelled from the topcoat and subsequently then again for Formation of the shells of the hollow structural elements the sintering.
  • EPS prefoamed expandable Polystyrene
  • This coating consisted of 70% by volume Alumina powder with a particle size in the range from 2 to 40 microns and 30 vol .-% zinc stearate powder in an aqueous PVA (polyvinyl alcohol) binder solution. There were a total of 870 g of alumina powder applied. Following the training of this first layer immediately on the surface of the Kernels were applied to another layer, which made off an aqueous PVA (polyvinyl alcohol) binder solution and carbonyl iron powder having an average particle size is formed by 6 microns. In total, were 430 g carbonyl iron powder on the already with Aluminum oxide powder coated cores applied.
  • EPS prefoamed expandable Polystyrene
  • the hollow structural elements produced in this way then formed magnesium oxide particles in loose, freely movable, hollow spheres.
  • the average diameter of the sintered balls was 2.8 mm with a bulk density of 0.5 g / cm 3 .
  • the degree of filling of the hollow spheres with magnesium oxide was about 20 to 25% of the internal volume.

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Abstract

Die Erfindung betrifft schallabsorbierende Strukturen und ein Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen, die hierfür eingesetzt werden können. Solche Strukturen können insbesondere bei Applikationen eingesetzt werden, bei denen eine Körperschalldämpfung erreicht werden soll. Gleichzeitig soll neben der Möglichkeit einer Schalldämpfung auch der Leichtbauaspekt berücksichtigt werden. Die erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Strukturelemente sind aus hohlen Strukturelementen gebildet, in denen innerhalb einer äußeren Schale frei bewegliche lose Festpartikel oder ein freibeweglicher Hohlkörper eingeschlossen sein sollen.

Description

Die Erfindung betrifft schallabsorbierende Strukturen sowie ein Verfahren zur Herstellung von Strukturelementen, die bei den erfindungsgemäßen Strukturen eingesetzt werden. Die insbesondere für Applikationen, bei denen Körperschall auftritt und einer Dämpfung bedarf, angewendet werden kann.
Die Erfindung kann günstigerweise auch im mobilen Einsatz Anwendung finden, da neben schalldämpfenden Eigenschaften auch der Leichtbauaspekt berücksichtigt werden kann.
Für die Schalldämmung werden üblicherweise zusätzliche Dämmstoffe eingesetzt, die auf, unter oder auch zwischen tragende mechanische Elemente angeordnet bzw. angebracht werden. An sich geeignete und häufig genutzte Stoffe sind dabei geschäumte Kunststoffe oder Faserstrukturen.
In Fällen, bei denen solche Stoffe für die Schalldämmung eingesetzt werden, sind aber generell tragende mechanische Elemente erforderlich, die die wirkenden statischen und dynamischen Kräfte bzw. Momente mit ausreichender Festigkeit aufnehmen können.
Des Weiteren ist es bekannt, für die Schalldämmung hohle Elemente, wie beispielsweise Hohlkugeln einzusetzen. Dabei können solche Hohlkugeln als lose Schüttung, analog wie Faserstrukturen aber auch als stoffschlüssig miteinander verbundene Hohlkugeln schalldämmende Elemente bilden.
Solche Hohlkugeln oder auch Hohlkugelstrukturen können relativ gut Luftschall dämpfen und den Schallpegel reduzieren.
Im Falle von Körperschall ist deren schalldämmende Wirkung aber begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine schalldämmende Struktur vorzuschlagen, mit der unter Berücksichtigung des Leichtbauaspektes auch eine verbesserte Schalldämmung erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit schallabsorbierenden Strukturen, wie sie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 definiert sind, gelöst. Die Patentansprüche 18 und 21 betreffen Verfahren zur Herstellung von hohlen Strukturelementen, mit denen erfindungsgemäße schallabsorbierende Strukturen ausgebildet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird daher vorgeschlagen, schalldämmende Strukturen aus bzw. mit einzelnen Strukturelementen zu bilden, wobei diese einzelnen Strukturelemente einen von einer Schale umschlossenen Hohlraum aufweisen und innerhalb dieses Hohlraumes ein bestimmter Anteil an festen, nicht miteinander verbundenen Partikeln eingeschlossen ist. Die eingeschlossenen Partikel können sich innerhalb des Hohlraumes in den Strukturelementen bewegen, da sie quasi eine lose Schüttung bilden. In einer erfindungsgemäßen Alternative können aber auch Hohlkörper in Hohlräumen von Strukturelementen eingeschlossen sein.
Die Schalen solcher Strukturelemente können dabei vollständig geschlossen und dicht sein. Sie können aber auch eine bestimmte Porosität aufweisen, wobei lediglich gewährleistet sein soll, dass die im inneren Hohlraum eingeschlossenen festen Partikel nicht durch solche Schalen hindurchtreten können.
Die erfindungsgemäß einzusetzenden hohlen Strukturelemente gegebenenfalls auch die eingeschlossenen Hohlkörper können dabei die Form von sphärischen Hohlkugeln aufweisen. Sie können aber auch andere geometrische Konturen bilden. Für die Hohlkörper ist eine sphärische Gestaltung zu bevorzugen.
Der Einsatz der hohlen Strukturelemente kann, wie aus dem Stand der Technik bereits bekannt, ebenfalls als lose Schüttung, aber auch in Form eines stoffschlüssig erhaltenen festen Verbundes erfolgen, wobei im letztgenannten Fall leichte, selbsttragende schalldämmende Strukturen zur Verfügung gestellt werden können, die auch über ein gewisses Maß an mechanischer Festigkeit verfügen und in gewissen Grenzen tragende Eigenschaften erreichen.
So können beispielsweise Trennwände, Türelemente oder auch Fußböden von Fahrzeugen in dieser Form mit erfindungsgemäßen Strukturen hergestellt werden.
Die Wirkung der erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Strukturen kann in relativ weiten Grenzen beeinflusst werden. Dabei sind beispielsweise der Füllgrad mit losen, festen Partikeln innerhalb der Hohlräume, die jeweilige Partikelgröße bzw. eine Partikelgrößenverteilung sowie die physikalische Dichte der Partikel geeignete Parameter.
Die Hohlräume der Strukturelemente sollten dabei möglichst mit losen festen Partikeln gefüllt sein, die mindestens ein Volumen von 5 % des von einer Schale umschlossenen Hohlraumes ausfüllen.
Die erfindungsgemäß für alle absorbierenden Strukturen einzusetzenden hohlen Strukturelemente können vorteilhaft in Form von Hohlkugeln ausgebildet sein, zumindest jedoch sollten Sie eine sphärische Oberfläche aufweisen. Solche Gestaltungsformen sind aber auch für die gegebenenfalls allein oder zusätzlich zu den festen losen Partikeln in hohlen Strukturelementen eingeschlossenen Hohlkörper geeignet.
Sphärische Strukturelemente können aber auch später verformt werden, wenn beispielsweise ein fester Verbund von Strukturelementen zu einem schallabsorbierenden Leichtbauteil gewünscht ist.
Die Strukturelemente können äußere Abmessungen/Durchmesser im Bereich 0,5 bis 30 mm und Schalendicken im Bereich 10 bis 3000 µm aufweisen.
Die hohlen Strukturelemente können, wie bereits angesprochen, in Form einer losen Schüttung eine schallabsorbierende Struktur ausbilden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, hohle Strukturelemente stoffschlüssig miteinander zu verbinden, was durch Kleben, Löten oder Versintern, erreichbar ist. Hohle Strukturelemente nach der Erfindung können aber auch innerhalb einer Matrix vergossen sein, was beispielsweise mit einem geeigneten aushärtbaren Kunststoff oder einem relativ niedrig schmelzenden Metall möglich wird.
Bei der Herstellung hohler Strukturelemente, in denen lose frei bewegliche Partikel enthalten sind, sollten die festen Partikel, die in einer Schicht, die unmittelbar auf der Oberfläche des polymeren Kerns ausgebildet ist, möglichst im Anschluss an das Austreiben der organischen Komponenten (z.B. Pyrolyse) zerfallen. Dadurch werden die losen frei beweglichen Partikel vor dem zur Ausbildung der Schale von hohlen Strukturelementen führenden Sintern frei gegeben. Dementsprechend soll eine Auswahl eines hierfür geeigneten Werkstoffes für die pulverförmigen Partikel, die in der unmittelbar auf der Oberfläche des polymeren Kerns ausgebildeten Schicht enthalten sind, die jeweiligen Sintertemperaturen berücksichtigen. So kann ein Werkstoff für die pulverförmigen Partikel in dieser Schicht ausgewählt werden, der eine deutlich höhere Sintertemperatur aufweist, als die pulverförmigen Partikel die zur Ausbildung der Schale hohler Strukturelemente durch Sintern führen. Hierfür sollten Werkstoffe von pulverförmigen Partikeln eingesetzt werden, deren Sintertemperatur um mindestens 100 K, bevorzugt um mindestens 200 K abweicht.
Die Freisetzung der Partikel aus der unmittelbar auf der Oberfläche des polymeren Kerns ausgebildeten Schicht bei einer Wärmebehandlung kann auch dadurch unterstützt werden, indem ein hoher Anteil platzhaltender, bevorzugt organischer Binderkomponenten gemeinsam mit pulverförmigen Partikeln diese Schicht bilden.
In dieser Phase der Herstellung von hohlen Strukturelementen sollte auch berücksichtigt werden, dass üblicherweise beim Sintern eine Schrumpfung/Schwindung auftritt, die zu einer Reduzierung des Volumens und dementsprechend auch der Größe/des Durchmessers der Schale hohler Strukturelemente führt. Dementsprechend sollte die innere Schicht, die unmittelbar auf dem polymeren Kern aufgebracht worden war, möglichst vorab zerfallen sein und keine eigene innere Schale gebildet haben, die in unmittelbaren Kontakt mit der die äußere Schale durch Versintern bildenden äußeren Schicht während des eigentlichen Sintervorganges stehen, so dass keine Eigenspannungen an solchen Schalen ausgebildet werden und auch eine Rissbildung an Schalen von hohlen Strukturelementen vermieden werden kann.
Die in hohlen Strukturelementen enthaltenen frei beweglichen festen Partikel oder Hohlkörper, sollten aus einem für den Werkstoff, der letztendlich die Schale hohler Strukturelemente ausbildet, inerten Werkstoffen gebildet sein und auch keinerlei andere Affinitäten zu diesem Werkstoff aufweisen.
Geeignete Werkstoffe sind beispielsweise Carbide, Nitride, Oxide, Silizide oder Aluminide, die auch als Mischung in Strukturelementen enthalten sein können. Sie sollten jedoch die erwähnten erhöhten Sinter- und Schmelztemperaturen einhalten.
Die Partikel können bevorzugt aus geeigneten Oxiden, wie beispielsweise Al2O3, MgO, ZrO2 oder Y2O3 gebildet sein, wobei hier die jeweiligen Sintertemperaturen über vielen geeigneten Metallen oder Metalllegierungen, die für die Ausbildung von Schalen hohler Strukturelemente auf pulvermetallurgischem Wege geeignet sind, liegen.
Solche Partikel, die in hohlen Strukturelementen lose und frei beweglich enthalten sein können, können aber auch geeignete Silikate, wie beispielsweise Kaolin sein.
Die eingesetzten pulverförmigen Ausgangspartikel für die unmittelbar auf dem polymeren Kern ausgebildete Schicht, können mit Partikelgrößen im Bereich von 5 nm bis hin zu 500 µm eingesetzt werden. Partikel mit Größen oberhalb 100 µm können bevorzugt in Kerne eingebettet werden, die durch Extrusion, Pulvergranulation oder Pelletierung hergestellt worden sind, wobei für Möglichkeiten hierzu noch weitere Erklärungen nachfolgend gegeben werden.
Bei erfindungsgemäßen schalldämmenden Strukturen können aber auch vollständig hohle Strukturelemente in Verbindung mit den erfindungsgemäß feste Partikel und/oder Hohlkörper enthaltenden hohlen Strukturelemente eingesetzt werden, so dass in gewissen Grenzen eine Massereduzierung erreicht werden kann.
Die physikalische Dichte von erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Strukturen kann ≤ 1 g/cm3 gehalten werden.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten solche hohlen, feste Partikel enthaltenden Strukturelemente herzustellen.
So kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass auf einen Kern, aus einem organischen bevorzugt polymeren Stoff, beispielsweise Polystyren eine mehrschichtige Beschichtung aufgebracht wird, wobei dann nachfolgend zumindest mittels der obersten Schicht die letztendliche äußere Schale der hohlen Strukturelemente gebildet werden kann.
In einzelnen Schichten einer solchen Beschichtung sind dann pulverförmige Partikel enthalten. Dabei sind die pulverförmigen Partikel, die die Schalen der hohlen Strukturelemente bilden sollen, aus einem sinterbaren Werkstoff (Metall, Keramik) gebildet. Die pulverförmigen Partikel, die zumindest in der unmittelbar auf dem Kern ausgebildeten Schicht enthalten sind, sind im Gegensatz dazu aber aus einem Werkstoff, der schlechter bzw. bei deutlich höheren Temperaturen, als der eigentliche Schalenwerkstoff gesintert werden kann, gebildet.
Die entsprechend beschichteten Kerne werden dann nachfolgend in an sich bekannter Form einer thermischen Behandlung unterzogen, wobei in einem ersten Schritt, gegebenenfalls nach einer vorab Trocknung, die organischen Komponenten ausgetrieben werden (z.B. Pyrolyse). Nachfolgend wird dann die Temperatur erhöht und es erfolgt zur Ausbildung der geschlossenen Schalen eine Sinterung, die dann zum Einschließen der nicht miteinander versinterten festen Partikel innerhalb der von Schalen umschlossenen Hohlräume führt.
Für die Herstellung von hohlen Strukturelementen, in denen Hohlkörper frei beweglich enthalten sind, können in der unmittelbar auf dem polymeren Kern ausgebildeten Schicht pulverförmige Partikel mit hoher Sinteraktivität enthalten sein, die auch eine kleinere Partikelgröße aufweisen können, als die pulverförmigen Partikel, die durch Sintern zur Ausbildung der Schale der hohlen Strukturelemente eingesetzt worden sind.
So können die in hohlen Strukturelementen frei beweglich angeordneten Hohlkörper aus sinteraktiven Metallverbindungen, bevorzugt Oxiden ausgewählt aus Fe2O3, Fe3O4, CuO, NiO, MoO3, WO3 und CoO ausgebildet werden, wobei die jeweilige Partikelgröße kleiner als 30 µm, bevorzugt kleiner als 1 µm gewählt werden kann.
In der auf einer Schicht, die unmittelbar auf dem Kern ausgebildeten Schicht ausgebildet ist, enthaltenden pulverförmigen Partikel, die beim Sintern die Schale der hohlen Strukturelemente bilden, können bevorzugt Metallpulver sein, wie beispielsweise Eisen mit Kupfer, wobei das Kupfer in eine Eisenschale infiltriert werden kann. Die Partikelgröße dieser Metallpulver sollte mindestens bei 30 µm gehalten werden.
Im Anschluss an die Ausbildung der aus mindestens zwei Schichten gebildeten Beschichtung durchzuführenden Wärmebehandlung werden dann wieder, wie bereits angesprochen, zuerst organische Komponenten ausgetrieben und es erfolgt im Anschluss daran die Ausbildung eines Hohlkörpers durch Sintern der pulverförmigen Partikel, die in der unmittelbar auf dem polymeren Kern ausgebildeten Schicht enthalten waren. Unterstützt durch die kleinere Partikelgröße, der in dieser Schicht enthaltenden Partikel reduzieren sich das Volumen und dementsprechend auch die äußeren Abmessungen des Hohlkörpers deutlich mehr, als dies bei der nachfolgenden Sinterung der pulverförmigen Partikel, die in der äußeren Schicht enthalten sind und die Schale der hohlen Strukturelemente bilden. Nach dem Sintern sind dementsprechend die äußeren Abmessungen des jeweiligen Hohlkörpers innerhalb der Schale hohler Strukturelemente kleiner als deren inneres Volumen, so dass eine freie Beweglichkeit der jeweiligen Hohlkörper innerhalb der hohlen Strukturelemente gegeben ist.
Durch die Auswahl geeigneter Pulver und die Einstellung einer gezielten Konsistenz für die Schichten, die die Beschichtung auf dem polymeren Kern bilden, kann Einfluss auf die Schalendicke und die bereits eingangs erwähnten Parameter sowie den Füllgrad innerhalb der Hohlräume mit festen, losen Partikeln genommen werden. Selbstverständlich können auch die Schalendicke der hohlen Strukturelemente und deren äußere und innere Abmessungen entsprechend beeinflusst werden, so dass auch die Gesamtmasse der hohlen Strukturen und das Masseverhältnis Partikel: Schale einstellbar sind.
Vorteilhaft sollte die Masse von in hohlen Strukturelementen enthaltenen Partikeln oder Hohlkörpern s der Masse der jeweiligen Schale eines Strukturelementes sein.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden hohlen Strukturelemente können aber auch so hergestellt werden, dass die Kerne, die nachfolgend beschichtet werden sollen, aus einer Mischung von festen Partikeln und einem organischen Stoff bzw. Stoffgemisch hergestellt werden. Als organische Stoffe oder Stoffgemische können an sich bekannte und geeignete organische Binder/Kunststoffe eingesetzt werden. Die Herstellung solcher Kerne kann beispielsweise mit Hilfe eines Extruders erfolgen. Dabei kann das Extrudat durch eine entsprechend gestaltete Matrize gepresst werden und eine gewünschte geometrische Gestalt annehmen. Der aus der Matrize austretende Strang kann dann in einzelne Teile auf entsprechende Länge geschnitten werden.
Kerne, die Partikel enthalten, können aber auch durch Pulvergranulation und anderen Pelletierverfahren hergestellt werden.
In bestimmten Fällen können die so hergestellten und gegebenenfalls auf eine bestimmte Länge geschnittenen Kerne auch in an sich bekannter Form verrundet werden, so dass sie eine nahezu vollständige sphärische Gestalt annehmen können.
Die so hergestellten Kerne werden dann mit mindestens einer Schicht überzogen, in der ein sinterbarer pulverförmiger Werkstoff enthalten ist.
Nachfolgend kann dann eine Temperaturbehandlung, die wie bereits beschrieben durchgeführt wird, erfolgen. Durch einen ersten Prozessschritt (z.B. Pyrolyse) werden dabei die organischen Komponenten aus dem Kern und gegebenenfalls auch aus der Deckschicht ausgetrieben und nachfolgend erfolgt dann wiederum zur Ausbildung der Schalen der hohlen Strukturelemente das Sintern.
Neben den angesprochenen schallabsorbierenden Eigenschaften können mit erfindungsgemäßen Strukturen auch mechanische Schwingungen gedämpft werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Beispielen erläutert werden.
Beispiel 1:
3 Liter sphärische Kerne aus vorgeschäumtem expandierbaren Polystyren (EPS), deren mittlerer Durchmesser 5,7 mm betrug, wurden mit einer ersten Schicht beschichtet. Diese Beschichtung bestand aus 70 Vol.-% Aluminiumoxidpulver mit einer Partikelgröße im Bereich von 2 bis 40 µm und 30 Vol.-% Zinkstearatpulver in einer wässrigen PVA-(Polyvinylalkohol)Binderlösung. Es wurden insgesamt 870 g Aluminiumoxidpulver aufgetragen. Im Anschluss an die Ausbildung dieser ersten Schicht unmittelbar auf der Oberfläche der Kerne wurde eine weitere Schicht aufgebracht, die aus einer wässrigen PVA (Polyvinylalkohol)-Binderlösung sowie Carbonyl-Eisenpulver mit einer mittleren Partikelgröße von 6 µm gebildet ist. Dabei wurden insgesamt 430 g Carbonyl-Eisenpulver auf die bereits mit Aluminiumoxidpulver beschichteten Kerne aufgetragen.
Im Anschluss erfolgte eine Wärmebehandlung zum Austreiben der organischen Komponenten und durch Sinterung der Ausbildung einer äußeren geschlossenen Schale von hohlen Strukturelementen in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Maximaltemperatur von 1120 °C.
Im Anschluss an die Wärmebehandlung wurden hohle Eisenstrukturelemente, in denen frei bewegliche lose feste Partikel aus Aluminiumoxid eingeschlossen waren, erhalten. Die Schüttdichte der befüllten Kugeln betrug 0,44 g/cm3 und der Füllgrad der gesinterten Hohlkugeln mit Aluminiumoxid betrug dabei ca. 20 bis 25 % bei einem mittleren Kugeldurchmesser von 5,4 mm.
Beispiel 2:
2 Liter vorgeschäumte Polystyrenkerne mit einem Durchmesser von 2,9 mm wurden mit einer Mischung, bestehend aus 75 Vol.-% Magnesiumoxidpulver mit einer Partikelgröße im Bereich von 1 bis 15 µm und 30 Vol.-% Polyethylenglykol mit einer Schmelztemperatur oberhalb 80 °C in einer wässrigen Binderlösung beschichtet. Es wurden insgesamt 280 g Magnesiumoxidpulver aufgetragen.
Auf dieser unmittelbar auf die Kerne aufgebrachten Schicht wurde eine Trennschicht aus Polyethylenglykol mit einer Schmelztemperatur oberhalb 80 °C, die frei von Partikeln gehalten ist, mit einer Dicke von ca. 80 µm aufgebracht.
Auf diese Trennschicht wurde wiederum eine für die Ausbildung einer Schale der Strukturelemente geeignete äußere Schicht aufgebracht. Auf die bereits mit Magnesiumoxid beschichteten Kerne wurden 680 g Carbonyl-Eisen in einer wässrigen PVA-Suspension aufgetragen.
Nach der Ausbildung dieser aus drei einzelnen Schichten bestehenden Beschichtung erfolgte wiederum eine Wärmebehandlung zum Austreiben der organischen Komponenten und dem Sintern der äußeren Schale aus legiertem Eisen in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von maximal 1250 °C.
Die so hergestellten hohlen Strukturelemente bildeten dann Magnesiumoxidpartikel in loser frei beweglicher Form enthaltene Hohlkugeln. Der mittlere Durchmesser der gesinterten Kugeln betrug 2,8 mm bei einer Schüttdichte von 0,5 g/cm3. Der Füllgrad der Hohlkugeln mit Magnesiumoxid betrug ca. 20 bis 25 % des Innenvolumens.

Claims (26)

1. Schallabsorbierende Struktur, die mit hohlen Strukturelementen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in hohlen Strukturelementen innerhalb einer äußeren Schale frei bewegliche lose feste Partikel oder ein frei beweglicher Hohlkörper eingeschlossen sind/ist.
1. Struktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur vollständig aus feste Partikel und/oder Hohlkörper enthaltenden hohlen Strukturelementen gebildet ist.
2. Struktur nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Strukturelemente eine lose Schüttung bilden.
3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Strukturelemente stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
4. Struktur nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Strukturelemente durch Kleben, Löten oder Sintern miteinander verbunden bzw. innerhalb einer Matrix vergossen sind.
5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohlen Strukturelemente als Hohlkugeln ausgebildet sind.
6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente äußere Abmessungen zwischen 0,5 und 30 mm aufweisen.
7. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schalendicke zwischen 10 und 3000 µm eingehalten ist.
8. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße zwischen 5 nm und 500 µm liegt.
9. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingeschlossenen Hohlkörper als Hohlkugeln ausgebildet sind.
10. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale von hohlen Strukturelementen aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einer Keramik gebildet ist.
11. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass feste lose Partikel innerhalb hohler Strukturelemente aus einem Werkstoff mit höherer Sintertemperatur, als der Werkstoff, aus dem die Schale der hohlen Strukturelemente gebildet ist, gebildet sind.
12. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb einer Schale von hohlen Strukturelementen enthaltenen Partikel aus einem gegenüber dem Schalenwerkstoff inerten Werkstoff gebildet sind.
13. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus einem Carbid, Nitrid, Oxid, Silizid und/oder Aluminid gebildet sind.
14. Struktur nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Oxid ausgewählt aus Al2O3, ZrO2, Y2O3 und MgO ist.
15. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb hohler Strukturelemente aus einem Silikat gebildete Partikel enthalten sind.
16. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb hohler Strukturelemente enthaltenen Partikel mindestens 5 % des Innenvolumens eines jeweiligen hohlen Strukturelementes ausfüllen.
17. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb eines hohlen Strukturelementes enthaltener Hohlkörper aus einem Oxid, ausgewählt aus Fe2O3, Fe3O4, CoO, NiO, MoO3, WO3 und CuO gebildet ist.
18. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur eine physikalische Dichte s 1 g/cm3 aufweist.
19. Verfahren zur Herstellung von hohlen Strukturelementen für schallabsorbierende Strukturen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Kern aus einem organischen Stoff eine aus mindestens zwei übereinander ausgebildeten Einzelschichten gebildete Beschichtung aufgebracht wird, dabei in der unmittelbar auf der Oberfläche des Kerns aufgebrachten Schicht feste Partikel eines Stoffes enthalten sind, die aus einem Werkstoff mit höherer Sintertemperatur gebildet sind, als Partikel eines Werkstoffes, die in einer weiteren aufgebrachten Schicht enthalten sind,
im Anschluss an die Beschichtung eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, bei der zuerst die organischen Bestandteile ausgetrieben, die pulverförmigen Partikel der vorab unmittelbar auf dem Kern ausgebildeten Schicht freigegeben und die pulverförmigen Partikel der äußeren Schicht zu einer Schale versintert werden.
20. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur der pulverförmigen Partikel, die in der unmittelbar auf dem Kern ausgebildeten Schicht enthalten sind, mindestens 100 °K höher, als die Sintertemperatur von pulverförmigen Partikeln, in der die äußere Schale bildenden Schicht ist.
21. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21,
dadurch gekennzeichnet, dass in der unmittelbar auf dem Kern aufgebrachten Schicht pulverförmige Partikel aus unterschiedlichen Werkstoffen und/oder mit unterschiedlicher Partikelgröße enthalten sind.
22. Verfahren zur Herstellung von hohlen Strukturelementen für schallabsorbierende Strukturen nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Kern aus einem organischen Stoff eine aus mindestens zwei übereinander ausgebildeten Einzelschichten gebildete Beschichtung ausgebildet wird,
dabei die unmittelbar auf dem Kern ausgebildete Schicht sinterbare pulverförmige Partikel enthält, die bei einer Temperatur miteinander versintern, die ≤ die Sintertemperatur von pulverförmigen Partikeln, die in einer äußeren Schicht enthalten sind, ist und/oder
ein größeres Schwindmaß beim Sintern aufweisen,
im Anschluss an die Beschichtung eine Wärmebehandlung durchgeführt wird,
bei der zuerst die organischen Bestandteile ausgetrieben,
dann die pulverförmigen Partikel der Schichten miteinander versintern und dabei eine äußere Schale für ein hohles Strukturelement und innerhalb eines jeweiligen hohlen Strukturelementes ein darin eingeschlossener Hohlkörper ausgebildet werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Beschichtung zwischen pulverförmige Partikel enthaltenden Schichten eine partikelfreie Trennschicht ausgebildet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel enthaltende Kerne, die durch Extrusion, Pulvergranulation oder Pelletierung hergestellt worden sind, eingesetzt werden.
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