EP1922432A1 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-verbundwerkstoffen durch plasmapyrolyse und thermisches spritzen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-verbundwerkstoffen durch plasmapyrolyse und thermisches spritzen

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Publication number
EP1922432A1
EP1922432A1 EP06805276A EP06805276A EP1922432A1 EP 1922432 A1 EP1922432 A1 EP 1922432A1 EP 06805276 A EP06805276 A EP 06805276A EP 06805276 A EP06805276 A EP 06805276A EP 1922432 A1 EP1922432 A1 EP 1922432A1
Authority
EP
European Patent Office
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thermal spraying
pyrolysis
infiltration
pyrolyzed
matrix
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06805276A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Tillmann
Evelina Vogli
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Universitat Dortmund
Technische Universitaet Dortmund
Original Assignee
Universitat Dortmund
Technische Universitaet Dortmund
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitat Dortmund, Technische Universitaet Dortmund filed Critical Universitat Dortmund
Publication of EP1922432A1 publication Critical patent/EP1922432A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/249921—Web or sheet containing structurally defined element or component
    • Y10T428/249953—Composite having voids in a component [e.g., porous, cellular, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of carbon composite materials by plasma pyrolysis according to the preamble of claim 1.
  • Such materials are used, for example, for mechanically highly stressed components.
  • a disadvantage of the known processes for producing such composite materials is, in particular, the complex and long-term treatment of the biogenic materials in the pyrolysis, but also in the infiltration, through which the economy of the process is reduced. So far, such For these economic reasons, composite materials are not used in the actual possible and desirable width due to the material properties.
  • DE 198 23 507 A1 discloses the production of molded articles based on wood materials or other carbonaceous starting materials which are infiltrated with silicon compounds and form corresponding composite materials.
  • the carbonization of the formed about wood molding takes place over langandauemde coking at relatively low temperatures and under a protective gas atmosphere or in a vacuum.
  • a metallization process is known in which u.a. It is also possible to metallize wood-based materials by means of plasma processes, the plasma processes serving to activate the surface and thus to improve the adhesion of the coating to the base material. The production of composites with relevant penetration depths is not described.
  • a method for producing a bone implant in which from a at least partially derived from renewable raw materials such as wood by pyrolysis and infiltration a composite material is formed, wherein the infiltration can also be carried out by means of thermal spraying ,
  • the pyrolysis itself is carried out in a separate process step by means of long-term coking of a preformed body for 6 to 20 hours under an inert gas atmosphere or under reduced pressure.
  • the cost-effectiveness of the process and the process control in coking is problematic.
  • the object of the present invention is therefore to further develop a process for the production of carbon composites by pyrolysis in such a way that in particular special pyrolysis easier and more economical carried out and thus the production of the carbon composite material can be simplified.
  • the invention is based on a process for the production of carbon composites by pyrolysis and thermal spraying, in which a material obtained at least partially from renewable raw materials is converted by means of pyrolytes into a porous lattice-like matrix and this matrix is then at least partially covered by a thermal spraying process Infiltrationswerkstoff is filled.
  • a generic method is further formed in accordance with the invention, that the pyrolysis of the material is carried out by means of a thermal spray process until at least partially the porous grid-like matrix of coked material has formed and then at least the coked areas with the porous grid-like matrix also be coated by means of thermal spraying with an infiltrating material or at least partially filled by an infiltrating material.
  • the thermal spraying method due to the thermal spraying method, the energy applied to the pyrolysis during the pyrolysis can be easily and very precisely controlled in the areas of the material which are to be pyrolyzed.
  • This composite materials can be produced, which only partially pyrolyzed and so that only in these areas are infiltrated and changed in their characteristics.
  • the various conceivable thermal spraying methods in particular plasma spraying, arc spraying or even flame spraying can be used.
  • all other conceivable thermal spraying methods are also conceivable for use in the present method, such as laser spraying and dynamic cold gas spraying.
  • porous lattice-like matrix which forms from the material when the pyrolysis is carried out by means of a thermal spraying process under reduced pressure, in particular under reduced pressure.
  • the organic structures of the material can not burn and therefore form the porous lattice-like matrix after coking, which is required for infiltration with the infiltration material.
  • the pyrolysis can be carried out by means of a thermal spraying process under a protective gas atmosphere.
  • gases such as argon as inert gas
  • gases also allows a largely independent of harmful oxygen influence formation of the porous grid-like matrix of the pyrolyzed material, whereby the structure of the biogenic starting material is maintained.
  • a funnel-like shielding can be used for this purpose to build up a protective gas atmosphere around the material to be pyrolyzed, which largely surrounds the material to be pyrolyzed and is blown into the shielding gas.
  • the funnel-like shielding By using such a funnel-like shielding, it can be ensured that during punctual pyrolysis by the thermal spraying method, the funnel-like shielding with the burner for the thermal spraying process is moved over the material to be pyrophysed and thus locally the respective pyrolyzed region of the material is safely shielded from the inert gas against the influence of oxygen, without the amount of inert gas or to be filled with the protective gas volume is too large.
  • the material to be pyrolyzed for the construction of a protective gas atmosphere completely umhaust and injected into the enclosure shielding gas.
  • a particularly safe and rapid pyrolysis of biogenic materials can then be carried out if the minimum temperature which the thermal spraying process introduces during pyrolysis into the material to be pyrolyzed is at least 400 ° C. At 400 0 C or higher temperatures, the pyrolysis is very fast and can be applied by the high-energy thermal spraying at certain points very well on the starting material and controlled.
  • a further improvement of the method can be achieved if the coating and / or infiltration of the infiltration material is carried out by means of thermal spraying in a normal ambient atmosphere, that is, if the usual method of thermal spraying is used for this purpose.
  • high-melting materials in particular, for example, metallic materials or ceramic materials
  • Such refractory materials form very high-strength compounds with the matrix of the pyrolyzed material and, in addition, can generally be subjected to very high mechanical and thermal stress as a result of the properties of the refractory materials, for example if they are used in construction components.
  • a targeted influencing of the degree of infiltration can be achieved, since e.g. ceramic materials have lower degrees of infiltration than powdered materials than liquid-infiltrated metallic materials, which can penetrate deeper into the matrix through the additional capillary action of the porous matrix.
  • a further improvement of the method can be achieved if the material obtained at least partially from renewable raw materials is pyrolyzed in such a form and in such dimensions as a shaped body, that the molded body after pyrolysis has substantially the dimensions and shape of the composite component to be produced.
  • micropellular structures usually have very high strength values, which are further enhanced by the fact that, after pyrolysis, the matrix is formed from carbon, which in turn can have high strength values.
  • a particularly advantageous starting material can be used as at least partially recovered from renewable resources material wood, with a limitation on wood, of course, is not necessary. Instead, on the one hand, different types of wood with different structures and also mechanical properties, but also all other biogenic materials with appropriate structures as a starting material for pyrolysis and infiltration can be taken. It can also be exploited that the strength of the matrix which is porous after the pyrolysis can be utilized and controlled by the respective structure, for example also of different types of wood.
  • the infiltratability of the matrix after pyrolysis can also be influenced since the structure prior to pyrolysis largely determines the geometric configuration and thus the porosity and capillarity of the coked matrix.
  • the burner for carrying out the thermal spraying method is guided along predeterminable paths relative to the material to be pyrolyzed. Due to the location and assignment of the individual webs and the corresponding overlaps of the individual webs, the pyrolysis of the material can be locally controlled very precisely, so that the degree of pyrolysis and thus the formation of the porous matrix can be controlled within wide limits. In this case, both the penetration depth and the efficiency of the pyrolysis can be adapted to the respective requirements for the transformation of the starting material. In this case, it can of course also be ensured in a further embodiment that the webs are formed in three dimensions in order to influence the spatial arrangement of the pyrolyzed regions on the outer surfaces and within the material. Especially easy and The pyrolysis can be designed in a reproducible manner by guiding the burner in a plane or in space to carry out the thermal spraying method by an industrial robot or a handling device.
  • a further advantage of the method according to the invention is that the pyrolyzed material after infiltration with the infiltration material is subjected to such a thermal treatment that the penetration depth and / or the connection of the infiltration material with the pyrolyzed material is influenced.
  • a further change in the degree of infiltration or the infiltration depth of the infiltration material into the porous matrix of the composite material can be produced.
  • the microstructure influences the microstructure states of the infiltration material in the composite structure.
  • the invention further relates to a device for the production of carbon composites by pyrolysis and thermal spraying, comprising means for performing a thermal spraying process for the production of carbon composites by pyrolysis and thermal spraying according to one of the preceding claims.
  • the invention proposes a carbon composite material and a component produced therefrom, produced by means of pyrolysis and thermal spraying according to one of claims 1 to 27.
  • Such components may be thin-walled components that are completely pyrolyzed over their entire cross-section and It is also conceivable to pyrolyze thick-walled components near the surface and to infiltrate them only in these areas.
  • Such components and composite materials produced according to the invention are used, for example, for electrotechnical applications in which such components must have increased mechanical strength properties. This can also be used to protect wood components from thermal influences such as fire, and many components designed as foam structures can be replaced today, for example, in the vehicle industry. Otherwise, na- Of course, also conceivable applications, which are common and widely used for composites. Examples of the applications of components produced according to the invention may be the automotive industry (eg brake discs, clutch discs), the aerospace industry (eg structural components), the aerospace industry (eg satellite antennas) or the sporting goods industry (eg skis or snowboards).
  • automotive industry eg brake discs, clutch discs
  • aerospace industry eg structural components
  • aerospace industry eg satellite antennas
  • sporting goods industry eg skis or snowboards.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen, bei dem ein zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenes Material mittels Pyrolyse in eine porös gitterartige Matrix überführt und diese Matrix anschließend mittels thermischer Spritzverfahren zumindest teilweise mit einem Infiltrationswerkstoff gefüllt wird. Hierbei wird die Pyrolyse des Materials mittels eines thermischen Spritzverfahrens solange durchgeführt, bis sich zumindest bereichsweise die porös gitterartige Matrix des verkokten Materials gebildet hat und anschließend zumindest die verkokten Bereiche mit der porös gitterartigen Matrix ebenfalls mittels thermischer Spritzverfahren mit einem Infiltrationswerkstoff beschichtet oder zumindest teilweise von einem Infiltrationswerkstoff ausgefüllt werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- Verbundwerkstoffen durch Plasmapyrolyse und thermisches Spritzen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Plasmapyrolyse gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen geht immer mehr dazu über, als Grundwerkstoff biogene nachwachsende Rohstoffe zu verwenden, die als Träger von hierin einzulagernden Metall- oder Keramikwerkstoffe dienen. Dabei wird häufig der Weg beschritten, zur Herstellung eines porösen Gitterwerkes, das dann üblicherweise durch Diffusion oder dgl. Prozesse mit den einzulagernden Werkstoffen zu mindestens zum Teil gefüllt wird, biogene Grundstoffe wie etwa Holz zu verwenden anstelle der lange Zeit üblichen, künstlich geschaffenen Strukturen aus kohlenstoffhaltigen Fäden oder Geweben oder dgl.. Um biogene Werkstoff in eine solche Struktur eines porösen Gitterwerkes zu überführen, wird üblicherweise das Verfahren der Pyrolyse verwendet, bei der der biogene Werkstoff langdauernd und unter Sauerstoff absch I uss durch ein Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre verkokt wird und unter entsprechender Schwindung die verkokten Kohlenstoffstrukturen das wie z.B. bei Holzzellen angeordnete poröse Gitterwerk bilden. Durch entsprechende Infiltration mittels verschiedener Verfahren wird dieses Gitterwerk dann mit der zweiten Komponente des Verbundwerkstoffes ganz oder bereichsweise gefüllt und damit ein Verbundwerkstoff erzielt, der die günstigen Eigenschaften der nach der Verkokung festen Kohlenstoffstrukturen mit den Eigenschaften des Infiltrationswerkstoffes kombiniert. Eingesetzt werden solche Werkstoffe etwa für mechanisch hoch bean- spruchte Bauteile. Nachteilig an den bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe ist insbesondere die komplexe und langdauernde Behandlung der biogenen Materialien bei der Pyrolyse, aber auch bei der Infiltration, durch die die Wirtschaftlichkeit der Verfahren verringert wird. Bisher werden derartige Ver- bundwerkstoffe aus diesen wirtschaftlichen Gründen nicht in der aufgrund der Werkstoffeigenschaften eigentlichen möglichen und wünschenswerten Breite eingesetzt.
Aus der US-PS 5 707 752 ist es bekannt, ein Holzmaterial mit einer keramischen Schicht zu besprühen, die mittels Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird. Allerdings wird hierbei nur eine rein oberflächliche Beschichtung vorgeschlagen, die keine signifikante Eindringtiefe in das Holz ergibt. Auch wird das Holz nicht pyrolysiert, sondern nur oberflächlich aktiviert, da unter normaler Umgebungsatmosphäre gearbeitet wird und das Holz dabei oberflächlich ohne Pyrolyse verbrannt wird.
Aus der DE 198 23 507 A1 ist die Herstellung von Formkörpem auf der Basis von Holzmaterialien oder anderen kohlenstoffhaltigen Ausgangswerkstoffen bekannt, die mit Siliziumverbindungen infiltriert werden und dabei entsprechende Verbundwerkstoffe ausbilden. Hierbei erfolgt die Karbonisierung des etwa aus Holz gebildeten Formkörpers über langandauemde Verkokungsverfahren bei relativ geringen Temperaturen und unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum.
Aus der DE 103 37 456 A1 ist ein Metallisierungsverfahren bekannt, bei dem u.a. auch Holzwerkstoffe mittels Plasmaverfahren metallisiert werden können, wobei die Plasmaverfahren zur Aktivierung der Oberfläche und damit zu einem verbesserten Haftverhalten der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff dienen. Die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit relevanten Eindringtiefen wird nicht beschrieben.
Aus der DE 101 43 874 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Knochenimplantats bekannt, bei dem aus einem zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Material wie etwa auch Holz mittels Pyrolyse und Infiltration ein Verbundwerkstoff gebildet wird, wobei die Infiltration auch mittels thermischer Spritzverfahren vorgenommen werden kann. Die Pyrolyse selbst erfolgt jedoch in einem getrennten Verfahrensschritt mittels langdauernder Verkokung eines vorgeformten Körpers über 6 bis 20 Stunden unter Inertgasatmosphäre oder auch bei Unterdruck. Hierdurch ist die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens und die Prozessführung bei der Verkokung problematisch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse derart weiter zu bilden, dass insbe- sondere die Pyrolyse einfacher und wirtschaftlicher durchgeführt und damit die Herstellung des Kohlenstoff-Verbundwerkstoffes vereinfacht werden kann.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbeg- riffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff- Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen, bei dem ein zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenes Material mittels Pyroly- se in eine porös gitterartige Matrix überführt und diese Matrix anschließend mittels thermischer Spritzverfahren zumindest teilweise mit einem Infiltrationswerkstoff gefüllt wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter gebildet, dass die Pyrolyse des Materials mittels eines thermischen Spritzverfahrens solange durchgeführt wird, bis sich zumindest bereichsweise die porös gitterartige Matrix des verkokten Materials gebildet hat und anschließend zumindest die verkokten Bereiche mit der porös gitterartigen Matrix ebenfalls mittels thermischer Spritzverfahren mit einem Infiltrationswerkstoff beschichtet oder zumindest teilweise von einem Infiltrationswerkstoff ausgefüllt werden. Die Möglichkeit, sowohl die Pyrolyse als auch die Infiltration mit dem gleichen Verfahren, nämlich ei- nem thermischen Spritzverfahren durchzuführen, insbesondere auch in enger zeitlicher Folge und ggf. auf der gleichen Anlage, ermöglicht eine sehr wirtschaftliche Herstellung entsprechender Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, die zudem durch die kurzen notwendigen Zeiten für die Durchführung der Pyrolyse mittels der hochenergetischen thermischen Spritzverfahren wesentlich gegenüber bisher bekannten Ver- fahren beschleunigt werden. Hierdurch ist bei mindestens gleichbleibender, eher steigender Qualität gegenüber bisher üblichen Verfahren zur Pyrolyse eine sehr wirtschaftliche Herstellung ermöglicht, die wesentlich breitere Anwendungsfelder derart hergestellter Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe ermöglicht. Darüberhinaus kann durch die aufgrund der thermischen Spritzverfahren punktuell sehr genau aufgebrachten Energien bei der Pyrolyse eine einfache und sehr genaue Steuerung der Bereiche des Materials vorgenommen werden, die tatsächlich pyrolysiert werden sollen. Damit können auch Verbundwerkstoffe hergestellt werden, die nur teilweise pyrolysiert und damit nur in diesen Bereichen infiltriert und in ihren Eigenschaften geändert werden. Zur Anwendung können die verschiedenen denkbaren thermischen Spritzverfahren, insbesondere das Plasma-Spritzen, das Lichtbogen-Spritzen oder auch ein Flammspritzen genutzt werden. Selbst verständlich sind auch alle anderen denkbaren thermischen Spritzverfahren für den Einsatz bei dem hier vorliegenden Verfahren denkbar, wie etwa das Laser-Spritzen und das dynamische Kaltgasspritzen.
Von besonderem Vorteil ist es hinsichtlich der sich aus dem Material bildenden porös gitterartigen Matrix, wenn die Pyrolyse mittels eines thermischen Spritzverfahrens unter Unterdruck, insbesondere im Vakuum durchgeführt wird. Bei Unterdruck be- ziehungsweise im Vakuum können die organischen Strukturen des Materials nicht verbrennen und bilden daher nach der Verkokung die porös gitterartige Matrix, die zum Infiltrieren mit dem Infiltrationswerkstoff benötigt wird.
In einer anderen denkbaren Ausgestaltung kann die Pyrolyse mittels eines thermischen Spritzverfahrens unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Die Ver- wendung von Gasen, etwa Argon als Schutzgas, ermöglicht ebenfalls eine weitgehend von schädlichem Sauerstoffeinfluss unabhängige Ausbildung der porös gitterartigen Matrix des pyrolysierten Materials, wodurch die Struktur des biogenen Ausgangswerkstoffes erhalten bleibt. In einer denkbaren Ausgestaltung kann hierzu zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre um das zu pyrolysierende Material herum eine trichterartige Abschirmung genutzt werden, die das zu pyrolysierende Material weitgehend umgibt und in die Schutzgas eingeblasen wird. Durch die Verwendung einer derartigen trichterartigen Abschirmung kann dafür gesorgt werden, dass bei der punktuellen Pyrolyse durch das thermische Spritzverfahren die trichterartige Abschirmung mit dem Brenner für das thermische Spritzverfahren mit über das zu pyro- lysierende Material bewegt wird und damit lokal der jeweils pyrolysierte Bereich des Materials sicher von dem Schutzgas gegenüber Sauerstoffeinfluss abgeschirmt wird, ohne dass die Menge des Schutzgases oder das mit dem Schutzgas zu füllende Volumen zu groß wird. Selbstverständlich ist es ebenfalls denkbar, dass das zu pyrolysierende Material zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre komplett umhaust und in die Umhausung Schutzgas eingeblasen wird. Eine besonders sichere und schnelle Pyrolyse biogener Materialien lässt sich dann durchführen, wenn die Mindesttemperatur, die das thermische Spritzverfahren bei der Pyrolyse in das zu pyrolysierende Material einbringt, mindestens 400 0C beträgt. Bei 4000C oder höheren Temperaturen läuft die Pyrolyse sehr schnell ab und kann durch die hochenergetischen thermischen Spritzverfahren punktuell sehr gut auf das Ausgangsmaterial aufgebracht und gesteuert werden.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens lässt sich dann erreichen, wenn die Be- schichtung und/oder die Infiltration des Infiltrations Werkstoffes mittels thermischer Spritzverfahren bei normaler Umgebungsatmosphäre durchgeführt wird, wenn also hierzu die übliche Verfahrensweise der thermischen Spritzverfahren genutzt wird.
Von besonderem Vorteil für die Struktur des Verbundwerkstoffes ist es, wenn als Infiltrationswerkstoff hochschmelzende Werkstoffe, insbesondere etwa metallische Werkstoffe oder keramische Werkstoffe verwendet werden. Derartige hochschmelzende Werkstoffe bilden mit der Matrix des pyrolysierten Materials sehr hochfeste Verbindungen und können darüber hinaus durch die Eigenschaften der hochschmelzenden Werkstoffe mechanisch und thermisch in der Regel sehr hoch belastet werden, wenn sie beispielsweise in Konstruktionsbauteilen eingesetzt werden. Auch kann abhängig von den verwendeten Infiltrationswerkstoffen eine gezielte Beeinflussung des Infiltrationsgrades erreicht werden, da z.B. keramische Werkstoffe als pul- verförmige Werkstoffe geringere Infiltrationsgrade aufweisen als flüssig infiltrierte metallische Werkstoffe, die über durch die zusätzliche Kapillarwirkung der porösen Matrix tiefer in die Matrix eindringen können.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens lässt sich dann erreichen, wenn das zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Material in einer derartigen Form und in derartigen Abmessungen als Formkörper pyrolysiert wird, dass der Formkörper nach der Pyrolyse im wesentlichen die Abmessungen und die Form des herzustellenden Verbundbauteils aufweist. Hierbei wird mit Beachtung des unvermeidlichen Schrumpfungsprozesses des zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Materials sehr endmaßnah gearbeitet werden kön- nen, so dass eine Nachbearbeitung des Materials nach der Herstellung des Verbundwerkstoffes auf ein minimales Maß reduziert werden kann. Von Vorteil hinsichtlich der Festigkeit und der Eigenschaften des Verbundmaterials ist es, wenn das zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnene Material nach der Pyrolyse eine offenporige, durch die ursprüngliche mikrozellulare Struktur des Materials vorgegebene Matrix aus Kohlenstoff aufweist. Derartige mik- rozellulare Strukturen haben üblicherweise sehr hohe Festigkeitswerte, die dadurch noch gesteigert werden, dass nach der Pyrolyse die Matrix aus Kohlenstoff gebildet wird, der selbst wiederum hohe Festigkeitswerte aufweisen kann. Als ein besonders vorteilhaftes Ausgangsmaterial kann als zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenes Material Holz genutzt werden, wobei eine Beschränkung allein auf Holz natürlich nicht notwendig ist. Stattdessen können zum einen verschiedene Holzsorten mit unterschiedlichen Strukturen und auch mechanischen Eigenschaften, darüber hinaus allerdings auch alle anderen biogenen Materialien mit entsprechenden Strukturen als Ausgangsmaterial für die Pyrolyse und die Infiltration genommen werden. Auch kann ausgenutzt werden, dass durch die jeweilige Struktur z.B. auch von verschiedenen Holzsorten die Festigkeit der nach der Pyrolyse porösen Matrix ausgenutzt und gesteuert werden kann. Weiterhin kann durch die Auswahl des biogenen Materials aufgrund von dessen Struktur vor der Pyrolyse die Infilt- rierbarkeit der Matrix nach der Pyrolyse mit beeinflusst werden, da die Struktur vor der Pyrolyse weitgehend die geometrische Gestaltung und damit die Porosität und Kapillarität der verkokten Matrix bestimmt.
Von Vorteil hinsichtlich der Prozessführung ist es, wenn der Brenner zur Durchführung des thermischen Spritzverfahrens entlang vorgebbarer Bahnen relativ zu dem zu pyrolysierenden Material geführt wird. Durch die Lage und Zuordnung der einzelnen Bahnen sowie die entsprechenden Überdeckungen der einzelnen Bahnen kann die Pyrolyse des Materials lokal sehr genau gesteuert werden, so dass der Grad der Pyrolyse und damit auch die Ausbildung der porös ausgebildeten Matrix in weiten Grenzen gesteuert werden kann. Hierbei kann sowohl die Eindringtiefe als auch der Wirkungsgrad der Pyrolyse dem jeweiligen Bedarf für die Umformung des Ausgangsmaterials angepasst werden. Hierbei kann selbstverständlich auch in einer weiteren Ausgestaltung dafür gesorgt werden, dass die Bahnen dreidimensional ausgebildet werden, um die räumliche Anordnung der pyrolysierten Bereiche auf den Außenflächen und innerhalb des Materials zu beeinflussen. Besonders einfach und reproduzierbar lässt sich die Pyrolyse dadurch gestalten, dass der Brenner zur Durchführung des thermischen Spritzverfahrens von einem Industrieroboter oder einer Handhabungseinrichtung in einer Ebene oder im Raum geführt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das py- rolysierte Material nach der Infiltration mit dem Infiltrationswerkstoff einer derartigen thermischen Behandlung unterzogen wird, dass die Eindringtiefe und/oder die Verbindung des Infiltrationswerkstoffes mit dem pyrolysierten Material beeinflusst wird. Durch entsprechende thermische Behandlung kann auch nach dem eigentlichen Ab- schluss der Infiltration unter dem Einfluss des thermischen Spritzverfahrens eine weitere Veränderung des Infiltrationsgrades oder der Infiltrationstiefe des Infiltrationsmaterials in die poröse Matrix des Verbundwerkstoffes hervorgerufen werden. Hierbei ist es auch denkbar, dass durch die thermische Behandlung die Gefügezu- stände des Infiltrationswerkstoffes in der Verbundstruktur beeinflusst werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstoff- Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen, die eine Einrichtung zur Durchführung eines thermischen Spritzverfahrens zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
Weiterhin wird von der Erfindung ein Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und ein daraus hergestelltes Bauteil vorgeschlagen, hergestellt mittels Pyrolyse und thermisches Spritzen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27. Derartige Bauteile können zum einen eher dünnwandige Bauteile sein, die vollständig bzw. über ihren gesamten Querschnitt pyrolysiert und infiltriert werden können, auch ist denkbar, dickwandigere Bauteile oberflächennah zu pyrolysieren und auch nur in diesen Bereichen zu infilt- rieren.
Eingesetzt werden solche erfindungsgemäß hergestellten Bauteile und Verbundwerkstoffe etwa für elektrotechnische Anwendungen, bei denen derartige Bauteile erhöhte mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen müssen. Auch kann hierdurch eine Absicherung von Holzbauteilen gegenüber thermischen Einflüssen wie Feuer erreicht werden, ebenfalls können heute vielfach als Schaumstrukturen ausgebildete Bauteile etwa in der Fahrzeugindustrie ersetzt werden. Ansonsten sind na- türlich auch alle Einsatzbereiche denkbar, die für Verbundwerkstoffe üblich und verbreitet sind. Beispiele für die Einsatzfälle von erfindungsgemäß hergestellten Bauteilen können die Automobilindustrie (z.B. Bremsscheiben, Kupplungsscheiben), die Luftfahrtindustrie (z.B. Strukturbauteile), die Raumfahrtindustrie (z.B. Satellitenan- tennen) oder auch die Sportartikelindustrie (z.B. Ski oder Snowboards) sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen, bei dem ein zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenes Material mittels Pyrolyse in eine porös gitterartige
5 Matrix überführt und diese Matrix anschließend mittels thermischer Spritzverfahren zumindest teilweise mit einem Infiltrationswerkstoff gefüllt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pyrolyse des Materials mittels eines thermischen Spritzverfahrens solange durchgeführt wird, bis sich zumindest bereichsweise die porös gitterartige Mat- o rix des verkokten Materials gebildet hat und anschließend zumindest die verkokten Bereiche mit der porös gitterartigen Matrix ebenfalls mittels thermischer Spritzverfahren mit einem Infiltrationswerkstoff beschichtet oder zumindest teilweise von einem Infiltrationswerkstoff ausgefüllt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das thermische 5 Spritzverfahren die Pyrolysierung des Materials in kurzer Zeit bewirkt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren ein Plasma-Spritzprozess genutzt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren ein Lichtbogen-Spritzprozess genutzt o wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren ein Flamm-Spritzprozess genutzt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse mittels eines thermischen Spritzverfahrens unter Unter- 5 druck durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse mittels eines thermischen Spritzverfahrens im Vakuum durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse mittels eines thermischen Spritzverfahrens unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas Argon verwendet wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre um das zu pyrolysierende Material herum eine trichterartige Abschirmung genutzt wird, die das zu pyrolysierende Material weitgehend umgibt und in die Schutzgas eingeblasen wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterartige Abschirmung mit dem Brenner für das thermische Spritzverfahren relativ zu dem zu pyrolysierenden Material bewegt wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zu pyrolysierende Material zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre umhaust und in die Umhausung Schutzgas eingeblasen wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindesttemperatur, die das thermische Spritzverfahren bei der Pyrolyse auf das zu pyrolysierende Material ausübt, mindestens 400 0C beträgt.
14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Beschichtung und/oder die Infiltration des Infiltrationswerkstoffes mittels thermischer Spritzverfahren bei normaler Umgebungsatmosphäre durchgeführt wird.
15. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse und die Beschichtung und/oder die Infiltration auf der gleichen Anlage für das thermische Spritzverfahren durchgeführt werden.
16. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pyrolyse und die Beschichtung und/oder die Infiltration zeitlich unmittelbar nacheinander durchgeführt werden.
17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Infiltrationswerkstoff hochschmelzende Werkstoffe verwendet werden.
18. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass als Infiltrationswerkstoff metallische Werkstoffe verwendet werden.
19. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Infiltrationswerkstoff keramische Werkstoffe verwendet werden.
20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonne- ne Material in einer derartigen Form und in derartigen Abmessungen als Formkörper pyrolysiert wird, dass der Formkörper nach der Pyrolyse im wesentlichen die Abmessungen und die Form des herzustellen Verbundbauteils aufweist.
21. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonne- ne Material nach der Pyrolyse eine offenporige, durch die ursprüngliche mikrozellulare Struktur des Materials vorgegebene Matrix aus Kohlenstoff aufweist.
22. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenes Material Holz genutzt wird.
23. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Durchführung des thermischen Spritzverfahrens entlang vorgebbarer Bahnen über das zu pyrolysierende Material geführt wird.
24. Verfahren gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnen dreidimensional ausgebildet werden, um die räumliche Anordnung der pyroly- sierten Bereiche innerhalb des Materials zu beeinflussen.
25. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner zur Durchführung des thermischen Spritzverfahrens von ei- nem Industrieroboter oder einer Handhabungseinrichtung in einer Ebene oder im Raum geführt wird.
26. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrolysierte Material nach der Infiltration mit dem Infiltrations- Werkstoff einer thermischen Behandlung unterzogen wird.
27. Verfahren gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrolysierte Material nach der Infiltration mit dem Infiltrationswerkstoff einer derartigen thermischen Behandlung unterzogen wird, dass die Eindringtiefe und/oder die Verbindung des Infiltrationswerkstoffes mit dem pyrolysierten Material beein- flusst wird.
28. Verfahren gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrolysierte Material nach der Infiltration mit dem Infiltrationswerkstoff einer derartigen thermischen Behandlung unterzogen wird, dass die Gefügezustände des Infiltrationswerkstoffes in der Verbundstruktur beeinflusst werden.
29. Vorrichtung zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen, dadurch gekennzeichnet, dass das die Vorrichtung eines Einrichtung zur Durchführung eines thermischen Spritzverfahrens zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen durch Pyrolyse und thermisches Spritzen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.
30. Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und daraus hergestelltes Bauteil, hergestellt mittels Pyrolyse und thermisches Spritzen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28.
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