EP2862685A1 - Verfahren zum Trennen stoffschlüssig verbundener Materialien - Google Patents

Verfahren zum Trennen stoffschlüssig verbundener Materialien Download PDF

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EP2862685A1
EP2862685A1 EP20140003512 EP14003512A EP2862685A1 EP 2862685 A1 EP2862685 A1 EP 2862685A1 EP 20140003512 EP20140003512 EP 20140003512 EP 14003512 A EP14003512 A EP 14003512A EP 2862685 A1 EP2862685 A1 EP 2862685A1
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EP
European Patent Office
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inorganic
composite material
open
metal
materials
Prior art date
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EP20140003512
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English (en)
French (fr)
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EP2862685B1 (de
Inventor
Ante Kurtovic
Manuela Süss
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/02—Tearing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/06—Severing by using heat

Definitions

  • the invention relates to a method for separating cohesively bonded surfaces of two materials.
  • the invention relates to a method for separating cohesively bonded surfaces of two materials, of which at least one is a material whose materially bonded surface has an open-pored nanostructuring and a solid inorganic material, an inorganic / organic A composite material and / or a solid plastic, the method being characterized in that the open-cell, nanostructured cohesively bonded surface at a temperature which is at least 150 ° C lower than the melting temperature of the solid inorganic material, the inorganic / organic composite material or at least 50 ° C is less than the softening temperature of the solid plastic, is heated until the originally open-pore nanostructured surface no longer has open-pore nanostructures, and then the surfaces of the two materials are separated.
  • the solid inorganic material of the material surface with open-pored nanostructures, from which the second material surface is to be separated preferably comprises a metal, a metal alloy, a metal chalcogenide, a metal salt, a metal-containing nitrogen, phosphorus, arsenic and / or antimony compound Semi-metal or an alloy thereof, a ceramic, an inorganic glass, carbon, an inorganic fibers and / or non-fibrous carbon and / or boron nitride-containing composite material with ceramic and / or carbon matrix, a metal-ceramic composite material, a composite material of a metal and / or a metal alloy containing thermally conductive carbonaceous and / or boron nitride-containing particles and / or fibers and / or a composite of a metal and / or a metal alloy, the thermally conductive carbonaceous and / or boron nitride-containing Contains particles and / or fibers and is at least
  • the inorganic / organic composite material preferably comprises a ceramic or / and carbon matrix composite containing organic or inorganic / organic fibers and / or a plastic matrix composite containing inorganic, organic or inorganic / organic fibers and the plastic preferably comprises a thermoplastic, an elastomer, a thermoplastic elastomer, a thermoset and / or a silicon-containing plastic.
  • the material of the surface having an open-pored nanostructure may also comprise a combination of at least two of the above-mentioned materials.
  • the metal or metal alloy may for example be selected from iron, aluminum, tantalum, magnesium, copper, nickel or titanium or an alloy thereof, eg Ti-6Al-4V, pure titanium, Mg-4Al1-Zn, Ta-10W, Cu-oF, CuZn37, Al 2024 (Al-4.4Cu-0.6Mn-1.5mg), V2A-steel (X5CrN18-10) and Inconel 718 ® (high temperature nickel alloy with Ni-19Cr-18Fe-3Mo-5Nb-0.05C (Material No. 2.4668)).
  • iron, aluminum, tantalum, magnesium, copper, nickel or titanium or an alloy thereof eg Ti-6Al-4V, pure titanium, Mg-4Al1-Zn, Ta-10W, Cu-oF, CuZn37, Al 2024 (Al-4.4Cu-0.6Mn-1.5mg), V2A-steel (X5CrN18-10) and Inconel 718 ® (high temperature nickel alloy with Ni-19Cr-18
  • the metal chalcogenides ie, oxides, sulfides, selenides, and tellurides
  • oxides, sulfides, selenides, and tellurides may be present in a very thin layer on the parent metal or base metal alloy. This is especially true for oxide passivation layers.
  • metal-containing nitrogen, phosphorus, arsenic and / or antimony compounds in which in particular metal nitride protective layers on the base metal or the base metal alloy can be very thin.
  • the metal salts may be any of the known metal salts, for example, halides such as chlorides, sulfates, nitrates, phosphates and other complex anions and salts with mixed cations and / or anions
  • halides such as chlorides, sulfates, nitrates, phosphates and other complex anions and salts with mixed cations and / or anions
  • Surfaces of the invention may include semimetals such as beryllium, boron, and silicon, their alloys with themselves or with metals, and solid compounds with non-metals.
  • the ceramic or ceramic of the ceramic matrix of the composite material from which the surface material according to the invention may be formed may be selected from all known ceramics. These include silicate ceramics, oxide ceramics such as alumina, silica, alumina-silica (mullite), SiOC, beryllium oxide, zirconium (IV) oxide and aluminum titanate, and mixtures thereof such as Al 2 O 3 -SiO 2 / SiOC, non-oxide ceramics such as silicon carbide. Tungsten carbide, silicon nitride, boron nitride, aluminum nitride, SiCN and molybdenum disilicide and ceramics of mixtures of the above ceramics.
  • the ceramic surface material according to the invention may also be a ceramic coating.
  • Ceramic materials used especially, but not exclusively, as coatings are the carbides B 4 C, TiC, TaC, HfC, ZrC, Cr 3 C 2 , Al 4 C 3 , MoC 2 , NbC and VC, the nitrides TiN, CrN 1-x , CrN, Li 3 N.
  • the silicides WSi 2 and ZrSi 2 the borides ZrB 2 , HfB 2 , TiB 2 , LaB 6 , Cr B , CrB 2 , AlB 2 , MgB 2 and SiB 6 and the oxides CaO, MgO, ThO 2 , TiO 2 , P 2 O 5 , SiAlON, Y 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 and B 2 O 3 .
  • the plastic or the plastic of the plastic matrix of the composite material from which the surface material according to the invention can be formed are generally thermoplastics and thermoplastic mixtures, such as polyethylene, polypropylene, polystyrene, polyester or polyetheretherketone or mixtures thereof, elastomers, thermoplastic elastomers and their mixtures, such as block copolymers of styrene and polyolefins, and thermosets or mixtures thereof, such as bakelite, polyester resins, polyurethane resins and epoxy resins and mixtures thereof, and Mixture of the aforementioned plastics.
  • the plastic may also be a silicon-containing plastic, such as a silicone.
  • the carbon or carbon of the carbon matrix of the composite material from which the surface material according to the invention may be formed is usually harder carbon variants, such as vitreous carbon, diamond-like carbon, pyrolytically produced graphite or by vapor deposition or vapor deposition or vapor deposition chemical vapor deposition) produced carbon.
  • the composites which may comprise the surface material of the present invention may be fiber-containing composites (fiber reinforced composites) having the above matrices, as well as mixtures thereof.
  • the inorganic composite fibers may be any of the inorganic fibers known to those skilled in the art for composite use. These include in particular carbon fibers, glass fibers and ceramic fibers.
  • the fibers can be short or long or endless and can be connected to rovings (multifilaments).
  • Ceramic fibers are based on oxide ceramic filament fibers, in particular Al 2 O 3 or Al 2 O 3 / SiO 2 (mullite) fibers and / or non-oxide ceramic filament fibers, in particular SiC, SiCN and SiBNC fiber types.
  • oxide ceramic filament fibers in particular Al 2 O 3 or Al 2 O 3 / SiO 2 (mullite) fibers and / or non-oxide ceramic filament fibers, in particular SiC, SiCN and SiBNC fiber types.
  • Preferred organic composite fibers are aramid fibers. But it can also be used other fibers of artificial and natural polymers.
  • the fibers in the fiber reinforced composites are coated to ensure a weak fiber-matrix interfacial interaction. This is usually required for good mechanical behavior and fiber protection.
  • Such coatings can eg pyrolytic carbon, SiC, BN, LaPO 4 , CePO 4 , CaWo 4 , ZrO 2 , mullite, Al 2 O 3 , magnetoplumbite, ⁇ -aluminate structures, LaAl 11 O 18 , CaAl 12 O 19 , BaMg 2 Al 16 , O 27 , KMg 2 Al 15 O 25 , lanthanum and calcium hexaaluminates, hexalaluminates, organometallic compounds or mixtures and / or multilayers thereof.
  • the coated fibers contain both inorganic and organic components, they are referred to herein as "inorganic / organic fibers”.
  • the fiber reinforced composites may contain additional inert or passive fillers, e.g. Ceramic powder that is not bonded to the ceramic matrix, if used.
  • non-fibrous carbon and / or boron nitride containing ceramic, plastic or carbon matrix composites from which the surface material of the present invention may be formed is meant ceramic or carbon matrices provided with carbonaceous particles other than carbon fibers. These carbonaceous particles include, in particular, graphitic particles, carbon nanotubes, fullerenes and diamond-like particles.
  • the boron nitride is preferably cubic boron nitride particles.
  • Another composite material that may comprise the surface material is metals and / or metal alloys that contain thermally conductive carbonaceous and / or boron nitride-containing particles and / or fibers and that may be at least partially coated with an oxide layer.
  • These fibers and particles may be, in particular, carbon fibers, graphitic particles, carbon nanotubes, diamond-like particles, boron nitride fibers, and cubic boron nitride particles.
  • the surface material may also comprise metal-modified ceramics, ie metal-ceramic composites.
  • methods for applying an open-pored nanostructure to these surface materials are known to the person skilled in the art. They generally involve scanning the surface with a pulsed laser beam or even with an electron or ion beam under certain process conditions.
  • the material of the surface of the second material may be independently selected from the same materials mentioned above as materials for the open-pore nanostructured surface of the first material.
  • the surface of the second material may also be provided with an open-pore nanostructure in this case.
  • the second material (and thus also its cohesively bonded surface) may be selected from a different material from the above described materials. It may, for example, be a coating comprising a varnish, a sealant, a solder, a coating for protection against mechanical, chemical or thermal effects, for repelling dirt or for reducing the adhesion, bone cement or a biological material.
  • a mostly very thin adhesive layer or an adhesion promoter layer can be located between the two cohesively bonded surfaces of the two materials.
  • the primer may be e.g. a silane coupling agent, a titanate such as titanium tetraisopropylate or titanium acetylacetonate, a zirconate such as zirconium tetrabutoxide, a zirconium aluminate, a thiazole, a triazole such as 1 H-benzotriazole, a phosphonate or a sulfonate.
  • the temperature at which restructuring of the open-pored nanostructured surface already takes place is considerably below the melting point or softening point of the surface material.
  • the temperature is usually at least 150 ° C below the melting point, but it may still be much lower, for example at least 200 ° C to several hundred ° C lower than the melting temperature, as shown in the examples.
  • the required temperature is usually at least 50 ° C, often 80 ° C below the softening point of the plastic. The required temperature also depends on the heating time, so that there is a temperature range in which the restructuring of the surface can take place.
  • the temperature required for the restructuring can be further reduced.
  • the heating time to complete disappearance of the open pores of the nanostructure depends primarily on the surface material and on the actual temperature applied (lower temperatures require a longer heating time for the same material). In general, one will choose the temperature so that a heating time of about 3 to about 30 minutes is sufficient.
  • the heating of the open-pored nanostructured surface (s) can be accomplished in any manner known to those skilled in the art, taking into account the specific composite material. Below are some examples given.
  • smaller composite materials can simply be placed in an oven at the required temperature.
  • Electrically conductive surface materials can be very advantageous, because quickly brought by induction heating to the required temperature and held it.
  • the open-pored nanostructured surface can be heated through the coating with a laser, electron or ion beam or with infrared radiation. Alternatively, if appropriate, this can also be done from the back of the surface.
  • the surface By hot-isostatic pressing of the entire composite material, the surface can be heated simultaneously and pressurized.
  • Another way to heat the surface is to use small drills or laser beams to drill fine channels down to the nanostructured surface and heat them by introducing a hot fluid.
  • a hot fluid In particular, hot deionized water, hot steam and hot air with at least 40% relative humidity are suitable as the fluid.
  • the previously firmly bonded materials can be easily removed mechanically. Coatings such as paints or other coatings usually stand out by themselves. Even adhesive layers and associated second materials can be easily lifted off. Even though the surfaces of both materials had open-pore nanostructures and the materials were bonded and "interlocked" with each other by direct compression, they can be easily pulled apart by heating after both surfaces have been smoothed.
  • paint, adhesive or adhesion promoter can be easily removed by suitable solvents, since they are now no longer difficult to access in open pores.
  • a component made of TiAl6Va had been provided with a strongly open-pore surface by means of laser radiation (see Fig. 1 ).
  • the component was heated in an oven for about 65 minutes to a temperature of about 950 ° C and held for about 20 minutes.
  • the surfaces of two Al 2024 devices were laser-patterned with open-pore nanostructuring (see Fig. 3 ) and then glued.
  • a component made of V2A steel had been provided with a strongly open-pore surface by means of laser radiation (see Fig. 5 ).
  • the component was heated by means of an induction heater within about 5 seconds to a temperature of about 800 ° C and held for about 5 minutes.
  • the surface was restructured and had fine needle-shaped structures with a smooth surface without open pores (see Fig. 6 ).
  • a component made of carbon fiber-reinforced SiC (C / SiC) ceramic had been provided with a strongly open-pore surface by means of laser radiation (see Fig. 7 ).
  • the component was heated in an oven for about 90 minutes to a temperature of about 1100 ° C and held for about 15 minutes.

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Abstract

in einem Verfahren zum Trennen von stoffschlüssig verbundenen Oberflächen zweier Werkstoffe, von denen mindestens einer ein Werkstoff ist, dessen stoffschlüssig verbundene Oberfläche eine offenporige Nanostrukturierung aufweist und ein festes anorganisches Material, ein anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterial und/oder einen festen Kunststoff umfasst, wird die offenporige, nanostrukturierte stoffschlüssig verbundene Oberfläche bei einer Temperatur, die mindestens 150 °C geringer ist als die Schmelztemperatur des festen anorganisches Materials, des anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterials oder mindestens 50 °C geringer ist als die Erweichungstemperatur des festen Kunststoffs, erwärmt, bis die ursprünglich offenporige nanostrukturierte Oberfläche keine offenporigen Nanostrukturen mehr aufweist, und dann werden die Oberflächen der beiden Werkstoffe getrennt.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von stoffschlüssig verbundenen Oberflächen zweier Werkstoffe.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Es ist bekannt, dass zwei Werkstoffe, von denen zumindest einer eine offenporige nanostrukturierte Oberfläche aufweist, außerordentlich fest miteinander verbunden werden können, da die offenporige Nanostrukturierung für eine ausgezeichnete Haftung verschiedenster Materialien sorgt. Vielfältige Verfahren zu einer derartigen Nanostrukturierung von Oberflächen mittels Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahl sind im Stand der Technik beschrieben.
  • Wenn jedoch zwei derartig fest verbundene Werkstoffe aus irgendwelchen Gründen getrennt werden sollen, bereitete dies erhebliche Probleme. Meist bestand die einzige Möglichkeit, die Werkstoffe zu trennen, darin, dass der mit der offenporigen nanostrukturierten Oberfläche des einen Werkstoffs verbundene zweite Werkstoff mechanisch abgeschliffen wurde, sofern es sich bei ihm um eine relativ dünne Beschichtung oder Struktur handelt, oder dass der Werkstoffverbund an der Verbindungsfläche durchgesägt wurde.
  • Es war das Ziel der Erfindung, ein einfacheres Verfahren zum Trennen von derart verbundenen Werkstoffen zu schaffen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von stoffschlüssig verbundenen Oberflächen zweier Werkstoffe, von denen mindestens einer ein Werkstoff ist, dessen stoffschlüssig verbundene Oberfläche eine offenporige Nanostrukturierung aufweist und ein festes anorganisches Material, ein anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterial und/oder einen festen Kunststoff umfasst, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die offenporige, nanostrukturierte stoffschlüssig verbundene Oberfläche bei einer Temperatur, die mindestens 150 °C geringer ist als die Schmelztemperatur des festen anorganisches Materials, des anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterials oder mindestens 50 °C geringer ist als die Erweichungstemperatur des festen Kunststoffs, erwärmt wird, bis die ursprünglich offenporige nanostrukturierte Oberfläche keine offenporigen Nanostrukturen mehr aufweist, und dann die Oberflächen der beiden Werkstoffe getrennt werden.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Fig. 1 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die mittels Laserstrahlung nanostrukturierte, stark offenporige Oberfläche einer TiAL6V4-Probe.
    • Fig. 2 zeigt in 20.000-facher Vergrößerung die durch eine Wärmebehandlung bei 950 °C umstrukturierte, nicht mehr offenporige Oberfläche der TiAL6V4-Probe von Fig. 1.
    • Fig. 3 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die mittels Laserstrahlung nanostrukturierte, stark offenporige Oberfläche einer Al 2024-Probe.
    • Fig. 4 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die durch eine Wärmebehandlung bei 400 °C umstrukturierte, nicht mehr offenporige Oberfläche der Al 2024-Probe von Fig. 3.
    • Fig. 5 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die mittels Laserstrahlung nanostrukturierte, stark offenporige Oberfläche einer V2A-Stahl-Probe.
    • Fig. 6 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die durch eine Wärmebehandlung bei 800 °C umstrukturierte, nicht mehr offenporige Oberfläche der V2A-Stahl-Probe von Fig. 5.
    • Fig. 7 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die mittels Laserstrahlung nanostrukturierte, stark offenporige Oberfläche einer Carbonfaser-verstärkten SiC (C/SiC)-Keramik-Probe.
    • Fig. 8 zeigt in 30.000-facher Vergrößerung die die durch eine Wärmebehandlung bei 1100 °C umstrukturierte, nicht mehr offenporige Oberfläche der C/SiC-Keramik-Probe von Fig. 7.
    Detaillierte Beschreibung
  • Eine offenporige Nanostrukturierung einer Werkstoffoberfläche sorgt dafür, dass sich ein damit verbundenes weiteres Material sehr stark mit der Letzteren "verzahnen" kann, was zu einer sehr festen Verbindung der beiden Materialien führt, die schwer zu lösen ist.
  • Es wurde nun überraschend gefunden, dass eine Erwärmung der offenporigen nanostrukturierten Oberfläche eines Werkstoffes bei einer Temperatur, die erheblich unterhalb der Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur des Werkstoffes liegt, eine Umstrukturierung der zuvor offenporigen, nanostrukturierten Oberfläche bewirkt, bei der nunmehr die offenen Poren verschwunden sind und geglättete Oberflächenstrukturen vorliegen. Dadurch wird die "Verzahnung" mit einem mit der Oberfläche verbundenen Material aufgehoben, so dass dieses relativ leicht von der Oberfläche abgetrennt werden kann.
  • Erfindungsgemäß umfasst das feste anorganische Material der Werkstoffoberfläche mit offenporigen Nanostrukturen, von der die zweite Werkstoffoberfläche zu trennen ist, bevorzugt ein Metall, eine Metalllegierung, ein Metallchalkogenid, ein Metallsalz, eine metallhaltigen Stickstoff-, Phosphor-, Arsen- und/oder Antimonverbindung, ein Halbmetall oder eine Legierung desselben, eine Keramik, ein anorganischen Glas, Kohlenstoff, einen anorganische Fasern und/oder nicht faserigen Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoff mit Keramik- und/oder Kohlenstoffmatrix, einen Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, einen Verbundwerkstoff aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, das bzw. die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthält und/oder einen Verbundwerkstoff aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, das bzw. die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthält und zumindest teilweise mit einer Oxidschicht überzogen ist. Das anorganisch/organische Verbundwerkstoffmaterial umfasst bevorzugt einen organische oder anorganisch/organische Fasern enthaltenden Verbundwerkstoff mit Keramik- und/oder Kohlenstoffmatrix und/oder einen anorganische, organische oder anorganisch/organische Fasern enthaltenden Verbundwerkstoff mit Kunststoffmatrix und der Kunststoff umfasst bevorzugt einen Thermoplasten, ein Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer, einen Duroplasten und/oder einen Silicium-haltigen Kunststoff. Das Material der Oberfläche mit einer offenporigen Nanostruktur kann auch eine Kombination von mindestens zwei der oben genannten Materialien umfassen.
  • Das Metall oder die Metalllegierung kann beispielsweise aus Eisen, Aluminium, Tantal, Magnesium, Kupfer, Nickel oder Titan oder einer Legierung derselben ausgewählt sein, z.B. aus Ti-6Al-4V, Rein-Titan, Mg-4Al1-Zn, Ta-10W, Cu-OF, CuZn37, Al 2024 (Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn), V2A-Stahl (X5CrNi18-10) und Inconel 718® (hochwarmfeste Nickellegierung mit Ni-19Cr-18Fe-5Nb-3Mo-0,05C (Werkstoffnr. 2.4668)).
  • Die Metallchalkogenide (also Oxide, Sulfide, Selenide und Telluride) können in sehr dünner Schicht auf dem Grundmetall oder der Grundmetalllegierung vorliegen. Dies gilt insbesondere für Oxid-Passivierungsschichten.
  • Ähnliches gilt für metallhaltigen Stickstoff-, Phosphor-, Arsen- und/oder Antimonverbindung, bei denen insbesondere Metallnitrid-Schutzschichten auf dem Grundmetall oder der Grundmetalllegierung sehr dünn sein können.
  • Bei den Metallsalzen kann es sich um alle bekannte Metallsalze handeln, beispielsweise um Halogenide, wie Chloride, Sulfate, Nitrate, Phosphate und andere Komplexanionen und Salze mit gemischte Kationen und/oder Anionen Erfindungsgemäße Oberflächen können Halbmetalle wie Beryllium, Bor und Silicium, deren Legierungen mit sich selbst oder mit Metallen und feste Verbindungen mit Nicht-Metallen umfassen.
  • Die Keramik oder die Keramik der Keramik-Matrix des Verbundwerkstoffes, aus der das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, kann aus allen bekannten Keramiken ausgewählt sein. Dazu gehören Silikatkeramiken, Oxidkeramiken, wie Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid (Mullit), SiOC, Berylliumoxid, Zirconium(IV)oxid und Aluminiumtitanat und Gemische derselben, wie Al2O3-SiO2/SiOC, nichtoxidische Keramiken, wie Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, SiCN und Molybdändisilicid und Keramiken aus Gemischen der vorstehenden Keramiken.
  • Das erfindungsgemäße Keramik-Oberflächenmaterial kann auch ein KeramikÜberzug sein.
  • Weitere Keramik-Materialien (ohne Anspruch auf Vollständigkeit), die insbesondere, aber nicht nur, als Überzüge verwendet werden, sind die Carbide B4C, TiC, TaC, HfC, ZrC, Cr3C2, Al4C3, MoC2, NbC und VC, die Nitride TiN, CrN1-x, CrN, Li3N. TaN, und ZrN, die Silicide WSi2 und ZrSi2, die Boride ZrB2, HfB2, TiB2, LaB6, CrB, CrB2, AlB2, MgB2 und SiB6 und die Oxide CaO, MgO, ThO2, TiO2, P2O5, SiAlON, Y2O3, HfO2, ZrO2 und B2O3.
  • Bei dem Kunststoff oder dem Kunststoff der Kunststoff-Matrix des Verbundwerkstoffes, aus dem das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, handelt es sich im Allgemeinen um Thermoplasten und Thermoplasten-Gemische, wie Poyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyester oder Polyetheretherketon oder Gemische derselben, Elastomere, thermoplastische Elastomere und deren Gemische, wie Blockcopolymere aus Styrol und Polyolefinen, und Duroplasten oder deren Gemische, wie Bakelit, Polyesterharze, Polyurethanharze und Epoxidharze und deren Gemische, sowie Gemisch der vorgenannten Kunststoffe. Ferner kann es sich bei dem Kunststoff auch um einen Silicium-haltigen Kunststoff, wie ein Silikon, handeln.
  • Bei dem Kohlenstoff oder dem Kohlenstoff der Kohlenstoffmatrix des Verbundwerkstoffes, aus dem das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, handelt es sich in der Regel um härtere Kohlenstoffvarianten, wie glasartigen Kohlenstoff, diamantartigen Kohlenstoff, pyrolytisch hergestellten Graphit oder durch Dampfabscheidung oder chemische Dampfabscheidung (vapor deposition oder chemical vapor deposition) hergestellten Kohlenstoff.
  • Bei den Verbundwerkstoffen, die das erfindungsgemäße Oberflächenmaterialumfassen kann, kann es sich um Fasern enthaltende (faserverstärkte) Verbundwerkstoffe mit den oben genannten Matrices sowie Mischungen daraus handeln.
  • Bei den anorganischen Verbundwerkstoff-Fasern kann es sich um alle anorganischen Fasern handeln, die der Fachmann für den Einsatz in Verbundwerkstoffen kennt. Dazu zählen insbesondere Carbonfasern, Glasfasern und Keramikfasern. Die Fasern können kurz oder lang oder endlos sein und können zu Rovings (Multifilamenten) verbunden sein.
  • Besonders bevorzugte Keramikfasern basieren auf Oxidkeramikfilament-Fasern, insbesondere Al2O3- oder Al2O3/SiO2 (Mullit)-Faser und/oder Nicht-Oxidkeramikfilament-Fasern, insbesondere SiC-, SiCN- und SiBNC-Faserarten.
  • Bevorzugte organische Verbundstoff-Fasern sind Aramid-Fasern. Es können aber auch andere Fasern aus künstlichen und natürlichen Polymeren eingesetzt werden.
  • Häufig sind die Fasern in den faserverstärkten Verbundwerkstoffen beschichtet, um eine schwache Faser-Matrix-Grenzflächenwechselwirkung zu gewährleisten. Das ist in der Regel für ein gutes mechanisches Verhalten sowie für einen Faserschutz erforderlich. Derartige Beschichtungen können z.B. aus pyrolytischem Kohlenstoff, SiC, BN, LaPO4, CePO4, CaWo4, ZrO2, Mullit, Al2O3, Magnetoplumbite, α-Aluminat-Strukturen, LaAl11O18, CaAl12O19, BaMg2Al16,O27, KMg2Al15O25, Lanthan- und Calciumhexaaluminate, Hexalaluminate, organometallische Verbindungen oder Gemische und/oder Multilayer daraus ausgewählt sein. Wenn die beschichteten Fasern sowohl anorganische als auch organische Komponenten enthalten, werden sie hierin als "anorganisch/organische Fasern" bezeichnet.
  • Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe können noch zusätzliche inerte oder passive Füllstoffe enthalten, z.B. Keramikpulver, das nicht mit der Keramik-Matrix, falls verwendet, verbunden ist.
  • Unter nicht faserigen Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoffen mit Keramik-, Kunststoff- oder Kohlenstoffmatrix, aus denen das erfindungsgemäße Oberflächenmaterial gebildet sein kann, versteht man Keramikoder Kohlenstoff-Matrices, die mit kohlenstoffartigen Teilchen außer Carbonfasern versehen sind. Zu diesen kohlenstoffhaltigen Teilchen gehören insbesondere graphitartige Teilchen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Fullerene und diamantartige Teilchen. Bei dem Bornitrid handelt es sich bevorzugt um Teilchen aus kubischem Bornitrid.
  • Bei einem weiteren Verbundwerkstoff, den das Oberflächenmaterial umfassen kann, handelt es sich um Metalle und/oder Metalllegierungen, die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthalten und zumindest teilweise mit einer Oxidschicht überzogen sein können. Bei diesen Fasern und Teilchen kann es sich insbesondere um Carbonfasern, graphitartige Teilchen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, diamantartige Teilchen, Fasern aus Bornitrid und Teilchen aus kubischem Bornitrid handeln.
  • Das Oberflächenmaterial kann auch mit Metall modifizierte Keramiken, also Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe, umfassen.
  • Wie bereits eingangs erwähnt, sind dem Fachmann Verfahren zum Aufbringen einer offenporigen Nanostruktur auf diese Oberflächenmaterialien bekannt. Sie beinhalten im Allgemeinen das Abtasten der Oberfläche mit einem gepulsten Laserstrahl oder auch mit einem Elektronen- oder Ionenstrahl unter bestimmten Verfahrensbedingungen.
  • Das Material der Oberfläche des zweiten Werkstoffs kann unabhängig aus den gleichen Materialien ausgewählt sein, die vorstehend als Materialien für die offenporige nanostrukturierte Oberfläche des ersten Werkstoffs genannt wurden.
  • Gegebenenfalls kann die Oberfläche des zweiten Werkstoffs in diesem Fall ebenfalls mit einer offenporigen Nanostruktur versehen sein.
  • Alternativ kann der zweite Werkstoff (und somit auch seine stoffschlüssig verbundene Oberfläche) aus einem von den vorstehende beschriebenen Materialien verschiedenen Material ausgewählt sein. Es kann sich bei ihm beispielsweise um eine Beschichtung handeln, die einen Lack, ein Dichtungsmittel, ein Lot, einen Überzug zum Schutz vor mechanischer, chemischer oder Wärmeeinwirkung, zur Abweisung von Schmutz oder zur Haftungsverringerung, Knochenzement oder ein biologisches Material umfasst.
  • Gegebenenfalls kann sich zwischen den beiden stoffschlüssig verbundenen Oberflächen der zwei Werkstoffe eine meist sehr dünne Klebstoffschicht oder eine Haftvermittlerschicht befinden. Bei dem Haftvermittler kann es sich z.B. um einen Silanhaftvermittler, ein Titanat, wie Titantetraisopropylat oder Titanacetylacetonat, ein Zirconat, wie Zirconiumtetrabutylat, ein Zirconiumaluminat, ein Thiazol, ein Triazol, wie 1 H-Benzotriazol, ein Phosphonat oder ein Sulfonat handeln.
  • Wie eingangs schon erwähnt, wurde überraschend gefunden, dass die Temperatur, bei der bereits eine Umstrukturierung der offenporigen, nanostrukturierten Oberfläche stattfindet, erheblich unterhalb des Schmelzpunkts oder Erweichungspunkts des Oberflächenmaterials liegt. Bei anorganischen Materialien und Verbundwerkstoffmaterialien liegt die Temperatur in der Regel mindestens 150 °C unterhalb des Schmelzpunkts, sie kann aber noch wesentlich geringer sein, z.B. mindestens 200°C bis einige hundert °C geringer als die Schmelztemperatur, wie in den Beispielen gezeigt. Bei Kunststoffen liegt die erforderliche Temperatur in der Regel mindestens 50°C, häufig 80°C unterhalb des Erweichungspunktes des Kunststoffes. Die erforderliche Temperatur hängt auch von der Erwärmungsdauer ab, so dass sich ein Temperaturbereich ergibt, in dem die Umstrukturierung der Oberfläche stattfinden kann.
  • Durch zusätzlich Anwendung von Druck auf die verbundenen Oberflächen kann die zur Umstrukturierung erforderliche Temperatur noch erniedrigt werden.
  • Die Erwärmungsdauer bis zum völligen Verschwinden der offenen Poren der Nanostruktur hängt in erster Linie vom Oberflächenmaterial und von der tatsächlich angewendeten Temperatur ab (niedrigere Temperaturen erfordern beim gleichen Werkstoff eine längere Erwärmungsdauer). In der Regel wird man die Temperatur so wählen, dass eine Erwärmungsdauer von etwa 3 bis etwa 30 Minuten ausreichend ist.
  • Es soll noch erwähnt werden, dass nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung die offenen Poren verschwunden sind und geglättete Oberflächenstrukturen vorliegen, diese aber durchaus noch Abmessungen im Nanometerbereich aufweisen können.
  • Das Erwärmen der offenporigen nanostrukturierten Oberfläche(n) kann unter Berücksichtigung des speziellen Werkstoffverbunds auf jede dem Fachmann bekannte Weise bewerkstelligt werden. Nachfolgend werden einige Beispiele dafür angegeben.
  • Kleinere Werkstoffverbunde können z.B. einfach in einen Ofen mit der erforderlichen Temperatur gegeben werden.
  • Elektrisch leitende Oberflächenmaterialien können sehr vorteilhaft, da schnell, mittels Induktionsheizung auf die erforderliche Temperatur gebracht und dabei gehalten werden.
  • Insbesondere wenn einer der beiden Werkstoffe eine relativ dünne Beschichtung ist, kann die offenporige nanostrukturierte Oberfläche durch die Beschichtung hindurch mit einem Laser-, Elektronen- oder Ionenstrahl oder mit Infrarotstrahlung erwärmt werden. Alternativ kann dies gegebenenfalls auch von der Rückseite der Oberfläche her geschehen.
  • Durch heiß-isostatisches Pressen des gesamten Werkstoffverbunds kann die Oberfläche gleichzeitig erwärmt und mit Druck beaufschlagt werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Erwärmung der Oberfläche besteht darin, mit kleinen Bohrern oder Laserstrahlen feine Kanäle bis zur nanostrukturierten Oberfläche hin zu bohren und diese mittels Einleitens eines heißen Fluids zu erwärmen. Als Fluid eignen sich insbesondere heißes entionisiertes Wasser, heißer Wasserdampf und heiße Luft mit mindestens 40 % relativer Feuchtigkeit.
  • Sobald sich die offenporige nanostrukturierte Oberfläche geglättet hat, lassen sich die zuvor mit ihr fest verbundenen Werkstoffe leicht mechanisch entfernen. Beschichtungen wie Lacke oder sonstige Überzüge heben sich in der Regel von selbst ab. Auch Klebstoffschichten und mit ihnen verbundene zweite Werkstoffe lassen sich leicht abheben. Auch wenn die Oberflächen beider Werkstoffe offenporige Nanostrukturen aufgewiesen hatten und die Werkstoffe durch direktes Verpressen mit einander der verbunden und "verzahnt" waren, können sie nach dem Glätten beider Oberflächen durch das Erwärmen einfach auseinandergezogen werden.
  • Eventuell noch vorhandene Reste von beispielweise Lack, Klebstoff oder Haftvermittler können durch geeignete Lösungsmittel leicht entfernt werden, da sie jetzt nicht mehr schwer zugänglich in offenen Poren vorliegen.
  • Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiter.
    • Beispiele Beispiel 1
  • Ein Bauteil aus TiAl6Va war mittels Laserstrahlung mit einer stark offenporigen Oberfläche versehen worden (siehe Fig. 1).
  • Das Bauteil wurde in einem Ofen über etwa 65 Minuten auf eine Temperatur von etwa 950 °C erwärmt und etwa 20 Minuten dabei gehalten.
  • Danach war die Oberfläche umstrukturiert und geglättet und wies keine offenen Poren mehr auf (siehe Fig. 2).
    • Beispiel 2
  • In diesem Beispiel waren die Oberflächen von zwei Al 2024-Bauteilen mittels Laserstrahl mit offenporiger Nanostrukturierung versehen (siehe Fig. 3) und dann verklebt worden.
  • Dann wurden in die beiden Bauteile feine Kanäle bis unter die Oberflächen gebohrt und 400 °C heißer Wasserdampf wurde etwa 5 Minuten lang eingespritzt.
  • Danach waren die Oberflächen umstrukturiert und geglättet und wiesen keine offenen Poren mehr auf (siehe Fig. 4), was zur Folge hatte, dass sich die beiden Bauteile leicht auseinanderziehen ließen, da sich der Klebstoff von den beiden geglätteten Oberflächen ohne Weiteres abheben ließ.
    • Beispiel 3
  • Ein Bauteil aus V2A-Stahl war mittels Laserstrahlung mit einer stark offenporigen Oberfläche versehen worden (siehe Fig. 5).
  • Das Bauteil wurde mit Hilfe einer Induktionsheizung innerhalb von etwa 5 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 800 °C erwärmt und etwa 5 Minuten dabei gehalten.
  • Danach war die Oberfläche umstrukturiert und wies feine nadelförmige Gebilde mit glatter Oberfläche ohne offene Poren auf (siehe Fig. 6).
    • Beispiel 4
  • Ein Bauteil aus Carbonfaser-verstärkter SiC (C/SiC)-Keramik war mittels Laserstrahlung mit einer stark offenporigen Oberfläche versehen worden (siehe Fig. 7).
  • Das Bauteil wurde in einem Ofen über etwa 90 Minuten auf eine Temperatur von etwa 1100 °C erwärmt und etwa 15 Minuten dabei gehalten.
  • Danach war die Oberfläche umstrukturiert und geglättet und wies keine offenen Poren mehr auf (siehe Fig. 8).

Claims (15)

  1. Verfahren zum Trennen von stoffschlüssig verbundenen Oberflächen zweier Werkstoffe, von denen mindestens einer ein Werkstoff ist, dessen stoffschlüssig verbundene Oberfläche eine offenporige Nanostrukturierung aufweist und ein festes anorganisches Material, ein anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterial und/oder einen festen Kunststoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige, nanostrukturierte stoffschlüssig verbundene Oberfläche bei einer Temperatur, die mindestens 150 °C geringer ist als die Schmelztemperatur des festen anorganisches Materials, des anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterials oder mindestens 50 °C geringer ist als die Erweichungstemperatur des festen Kunststoffs, erwärmt wird, bis die ursprünglich offenporige nanostrukturierte Oberfläche keine offenporigen Nanostrukturen mehr aufweist, und dann die Oberflächen der beiden Werkstoffe getrennt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste anorganische Material ein Metall, eine Metalllegierung, ein Metallchalkogenid, ein Metallsalz, eine metallhaltigen Stickstoff-, Phosphor-, Arsen- und/oder Antimonverbindung, ein Halbmetall oder eine Legierung desselben, eine Keramik, ein anorganischen Glas, Kohlenstoff, einen anorganische Fasern und/oder nicht faserigen Kohlenstoff und/oder Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoff mit Keramik- und/oder Kohlenstoffmatrix, einen Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, einen Verbundwerkstoff aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, das bzw. die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthält und/oder einen Verbundwerkstoff aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung, das bzw. die wärmeleitende kohlenstoffhaltige und/oder Bornitrid-haltige Teilchen und/oder Fasern enthält und zumindest teilweise mit einer Oxidschicht überzogen ist, umfasst, das anorganisch/organische Verbundwerkstoffmaterial einen organische oder anorganisch/organische Fasern enthaltenden Verbundwerkstoff mit Keramik- und/oder Kohlenstoffmatrix und/oder einen anorganische, organische oder anorganisch/organische Fasern enthaltenden Verbundwerkstoff mit Kunststoffmatrix umfasst und der Kunststoff einen Thermoplasten, ein Elastomer, ein thermoplastisches Elastomer, einen Duroplasten und/oder einen Silicium-haltigen Kunststoff umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche beider Werkstoffe jeweils unabhängige ein festes anorganisches Material, ein anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterial oder einen festen Kunststoff umfasst, wobei nur eine Oberfläche eine offenporige Nanostrukturierung aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche beider Werkstoffe jeweils unabhängige ein festes anorganisches Material, ein anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterial oder einen festen Kunststoff umfasst, wobei beide Oberflächen eine offenporige Nanostrukturierung aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Werkstoff eine Beschichtung ist, die einen Lack, ein Dichtungsmittel, ein Lot, einen Überzug zum Schutz vor mechanischer, chemischer oder Wärmeeinwirkung, zur Abweisung von Schmutz oder zur Haftungsverringerung, Knochenzement oder ein biologisches Material umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den zwei stoffschlüssig verbundenen Oberflächen eine Klebstoff- oder Haftvermittlerschicht befindet.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei stoffschlüssig verbundenen Oberflächen direkt miteinander verbunden sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige(n), nanostrukturierte(n) stoffschlüssig verbundene(n) Oberfläche(n) bei einer Temperatur, die mindestens 200 °C geringer ist als die Schmelztemperatur des festen anorganisches Materials, des anorganisch/organisches Verbundwerkstoffmaterials oder mindestens 80 °C geringer als die Erweichungstemperatur des festen Kunststoffs, erwärmt wird bwz. werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Oberfläche(n) durch Erwärmen der zwei Werkstoffe, deren Oberflächen stoffschlüssig verbundenen sind, in einem Ofen vorgenommen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Oberfläche(n) durch einen Induktionsheizung erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Oberfläche(n) durch einen Laser-, Elektronen - oder Ionenstrahl oder durch Infrarot-Strahlung erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen der Oberfläche(n) durch Zuführung eines heißen Fluids durch in das Werkstück eingebohrte Kanäle zu der Oberfläche bewerkstelligt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid heißes Wasser, heißen Wasserdampf oder heiße Luft mit mindestens 40° relativer Feuchtigkeit umfasst.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen mechanisch durch Abheben eines der Werkstoffe oder durch Auseinanderziehen der beiden Werkstoffe vorgenommen wird.
  15. Verfahren nach 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen eine Behandlung mindestens einer der zuvor verbundenen Oberflächen der getrennten Werkstücke mit einem Lösungsmittel vorgenommen wird.
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