EP3814298A1 - Verfahren zur herstellung eines grünkörpers und eines keramischen bauteils, grünkörper und keramisches bauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines grünkörpers und eines keramischen bauteils, grünkörper und keramisches bauteil

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EP3814298A1
EP3814298A1 EP19735527.4A EP19735527A EP3814298A1 EP 3814298 A1 EP3814298 A1 EP 3814298A1 EP 19735527 A EP19735527 A EP 19735527A EP 3814298 A1 EP3814298 A1 EP 3814298A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
fleece
volume
produced
layer
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19735527.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Linda KLOPSCH
Martin Friess
Felix VOGEL
Dietmar Koch
Volker Jehle
Jan Freudenberg
Fiona KESSEL
Nancy-Jane BILLER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hochschule Reutlingen
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Hochschule Reutlingen
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule Reutlingen, Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Hochschule Reutlingen
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Pending legal-status Critical Current

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    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D2069/009—Linings attached to both sides of a central support element, e.g. a carrier plate

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a green body, in particular as a preform for a ceramic component.
  • the invention further relates to a method for producing a ceramic component.
  • the invention further relates to a green body component and a ceramic component.
  • US 2004/0005462 A1 discloses a sliding material which consists of a carbon fiber-reinforced carbon composite material which contains particles.
  • DE 38 40 781 A1 discloses a process for producing fiber composite ceramics, in which fibers are impregnated with a molten polysilazane in a first step and polysilazane in the fibers in a second step with NH 3 , urotropin, an amine or a chlorosilane in the infusible state is transferred and in a third step the impregnated fibers are heated to 800 ° C to 2000 ° C in a nitrogen, inert gas or ammonia atmosphere.
  • DE 693 21 151 T2 discloses a method for producing parts from composite material with a ceramic matrix.
  • a friction unit is known from DE 44 38 456 A1.
  • a friction body made of silicon-infiltrated, carbon fiber-reinforced porous carbon is known from DE 100 60 566 A1.
  • a brake drum assembly is known from DE 197 21 773 A1.
  • a method for producing a fiber composite material is known from DE 198 05 868 A1.
  • a friction ring for a friction brake is known from DE 198 34 704 A1.
  • a disc brake is known from DE 199 01 250 A1.
  • a brake disk with an intermediate layer is known from DE 10 2005 052 802 A1.
  • a disk brake with two ceramic brake disks is known from DE 10 2007 040 128 A1.
  • a friction-tolerant disk made of fiber-reinforced ceramic is known from US 9,005,732 B2.
  • the object of the invention is to provide a method of the type mentioned at the outset with which green bodies with advantageous properties can be produced. This object is achieved according to the invention in the method mentioned at the outset by using at least one layer of a
  • the green body is a fiber-reinforced body and in particular a
  • CFRP body It can itself be used as a component, or it can serve, for example, as the basis for producing a ceramic body, the ceramic body being in particular a CMC body.
  • the X / Y fleece has at most a small proportion of fibers oriented in the Z direction. Basically, fibers that are oriented in the Z direction can induce restoring forces when pressing nonwovens. This means that when such nonwovens are used, only low fiber volume contents, for example of the order of 20% or less, are possible.
  • X / Y fleece used. Due to the correspondingly low fiber content in the Z direction, X / Y nonwovens can be compressed more. This enables higher fiber volume contents in the green body and also, for example, on a ceramic body made therefrom.
  • a green body is generally prone to delamination during pyrolysis. Due to the reduced restoring forces due to the use of at least one layer of X / Y fleece according to the invention, the tendency to delamination is reduced.
  • the solution according to the invention in which at least one layer of an X / Y nonwoven with at most a small proportion of fibers oriented in the Z direction is used, eliminates the problems which are otherwise associated with nonwovens, in particular in the production of ceramics , reduce or even eliminate.
  • fiber volume contents in particular, for example, greater than 30% in the green body and, for example, greater than 20% in a ceramic body can be achieved.
  • the material or component manufactured in this way has a very low risk of delamination due to the small proportion of fibers oriented in the Z direction.
  • X / Y fleece to specifically influence a carbide formation in a ceramization process, which starts from the green body produced.
  • materials with a high carbide conversion during ceramization can be produced, or materials with a low carbide conversion during ceramization.
  • a graded ceramic structure of a corresponding ceramic component which is produced from the corresponding green body, can reduce the formation of cracks in friction layers. This keeps or prevents the ingress of liquids. This in turn counteracts damage or chipping of a friction layer from its supporting body.
  • the grading also enables the thermal expansion to be adjusted, in particular that of a ceramic material. This prevents typical crack formation during a manufacturing process.
  • the method according to the invention can be implemented integrally.
  • a friction layer (which is produced in an area with the at least one layer of X / Y fleece) can be integrated with a carrier connect. This means that only a relatively small number of individual steps is necessary.
  • no separate green body manufacture of a support body and a friction layer with a subsequent joining of the components is necessary.
  • the integral production enables a near-net-shape production of a green body, which comprises both a support body realized in the final component and at least one friction layer.
  • the manufacturing process can be carried out in a material-saving manner, since scrap residues can be reused to produce the X / Y fleece.
  • scrap residues can be reused to produce the X / Y fleece.
  • the use of recycled fiber material is also possible.
  • additional fillers such as graphite powder, are used to produce the green body.
  • the at least one layer of X / Y fleece is positioned on a carrier and the green body is produced from a combination of the at least one layer of X / Y fleece and the carrier.
  • the carrier and a layer produced on the carrier can be connected to one another integrally and in particular in one piece. There are no connection problems for the subsequent production of a layer on a carrier. In particular, a friction layer on a support body can be realized in this way.
  • the connection of at least two layers of X / Y fleece with a carrier also makes it possible to achieve a graded connection of the nonwovens. The grading can be set up so that the differences in thermal expansion between a provided friction layer surface and a manufactured support body.
  • the X / Y fleece has a fiber content in the Z direction of at most 7% by volume and in particular at most 3% by volume and in particular at most 1% by volume.
  • fibers in the X / Y fleece have a fiber length in an X / Y plane of at least 1 mm and in particular of at least 5 mm. In particular, at least 90% of the fibers have such a length.
  • fibers in the X / Y fleece have a fiber length in an X / Y plane of at most 100 mm and in particular of at most 40 mm. In particular, at least 90% of the fibers have this length. It is particularly advantageous if fibers (in particular at least 90% of the fibers) in the X / Y fleece have a fiber length in an X / Y plane in the range between 5 mm and 40 mm.
  • the fibers of the X / Y fleece can for example be made of at least one of the following materials: aluminum oxide, carbon, silicon carbide, aramid, glass. It is fundamentally possible for the X / Y fleece to be made from one material or from a material mixture depending on the application.
  • the at least one layer of X / Y fleece is produced by a wet fleece process.
  • a wet fleece process selectively manufacture an X / Y fleece that has a low Z fiber content.
  • a composition of the ceramized material produced, in particular with regard to carbide content and / or carbon content, can be set via certain parameters in the wet nonwoven process.
  • X / Y fleece is set via one or more parameters for carrying out the wet fleece process.
  • the parameter or parameters include, for example, a degree of fiber resolution in the production of wet nonwovens, the dispersibility of fibers, a flow rate of a fiber / water mixture, a belt speed, a mass per unit area of a nonwoven, the stiffness of fibers for the production of nonwovens or a fiber length of Fibers in the manufacture of nonwovens.
  • a degree of fiber resolution in the production of wet nonwovens the dispersibility of fibers
  • a flow rate of a fiber / water mixture a belt speed
  • a mass per unit area of a nonwoven the stiffness of fibers for the production of nonwovens or a fiber length of Fibers in the manufacture of nonwovens.
  • the proportion of carbon and carbide in a carbide-ceramic material produced on the basis of the corresponding green body can be controlled via the degree of fiber dissolution.
  • a strong dissolution of a fiber bundle structure to individual filaments leads to a high carbide content in the ceramic material.
  • a low resolution of the fiber bundle structure leads to a high proportion of carbon in the material, this carbon proportion being composed of carbon in carbon fibers and of carbon in an amorphous carbon matrix.
  • this carbon proportion being composed of carbon in carbon fibers and of carbon in an amorphous carbon matrix.
  • longer fibers in particular in the range between 15 mm and 40 mm, are used in the wet fleece process.
  • a fiber volume content in the green body for the at least one layer of X / Y fleece is at least 20 volume% and in particular at least 30 volume% and in particular at least
  • the carrier is fiber-reinforced.
  • the green body is produced by means of a carbon precursor and, for example, a phenolic resin or epoxy resin.
  • the green body is produced in a hot pressing process, autoclave process or infiltration process.
  • the green body can then also be given a defined shape.
  • a component which is produced by the method according to the invention.
  • This component is a green body, for example in the form of a CFRP body.
  • Another object of the invention is to provide a method for producing a ceramic component with which ceramic components with advantageous properties, in particular with regard to fiber reinforcement and carbide conversion, can be manufactured.
  • This object is achieved according to the invention in that pyrolysis is carried out on a green body produced using the method according to the invention, and ceramization is carried out on a resultant open-porous body (in particular carbon body).
  • a ceramic material can be manufactured in this way, which is fiber-reinforced by means of a nonwoven and has a high fiber volume content of, for example, 20% to 35%. The risk of delamination for a correspondingly manufactured component is low.
  • the carbide formation during the ceramization can be influenced by different X / Y fleece variants.
  • Graded materials can be produced which are graded, for example, with regard to carbide formation.
  • a graded ceramic structure can counteract the formation of cracks in friction layers. This keeps or prevents the penetration of liquid. This in turn counteracts damage or chipping of a friction layer from a support body.
  • the grading enables the thermal expansion of a corresponding ceramic material to be adjusted in order to counteract or prevent crack formation.
  • the ceramization is advantageously carried out by infiltrating the open-porous carbon body with liquid carbide former, the carbide former being in particular silicon.
  • the liquid silicon reacts with carbon in the open-pored carbon body and forms carbide.
  • the open porosity of the carbon body enables infiltration with carbide formers.
  • a fiber volume content in the ceramic component in an area which was produced by means of the at least one layer of X / Y fleece is at least 20% by volume, in particular when using carbon fibers.
  • the at least one layer is applied
  • X / Y nonwoven fabricated at least one friction layer on a support body For example, a brake disc can be manufactured.
  • the friction layer which was produced by means of the at least one layer of X / Y fleece, can be provided with corresponding advantageous properties, such as, for example, high hardness over a high carbide content.
  • the friction layer can be produced with little crack formation, so that the risk of delamination or chipping is reduced.
  • the at least one friction layer has a carbide content of at least 60% by volume and in particular at least 70% by volume. It is favorable for the support body if it has a carbide content in the range between 15% by volume and 65% by volume. In this way, an effective arrangement of a friction layer on the support body can be achieved.
  • a component is provided which is produced in accordance with the method according to the invention.
  • a carbide content in the at least one friction layer is advantageously at least 60 volume% and in particular at least 70 volume%, and in particular a carbide content in the support body lies in the range between 15 volume% and 65 volume%.
  • the corresponding (ceramic) component has a graded structure.
  • a graded structure with respect to a friction layer can be produced. This makes it possible to produce a friction layer with little crack formation. This in turn reduces the risk of delamination or chipping.
  • Figure 1 is a plan view of an embodiment of a component in
  • FIG. 2 shows a sectional view of the component according to FIG. 1 along the line 2-2;
  • Figure 3 is an enlarged view of area A of Figure 2;
  • FIG. 4 shows a microstructure image on a component which was produced in accordance with the method according to the invention, a fiber bundle structure essentially being retained in the production of wet nonwovens;
  • FIG. 5 shows a microstructure photograph of a further exemplary embodiment of a component which was produced using the method according to the invention, fiber bundles being broken up in the production of wet nonwovens;
  • FIG. 6 shows a microstructure image of an exemplary embodiment of a
  • An exemplary embodiment of a component is a ceramic brake disc 10 (FIGS. 1 to 3).
  • the brake disc 10 is, for example, ring-shaped and, in particular, circular in form with a central through opening 12.
  • the brake disc 10 comprises a support body 14 (FIGS. 2, 3) which is made of a carbide-ceramic material and is in particular fiber-reinforced.
  • a first friction layer 16 and a second friction layer 18 are arranged on the support body 14 on opposite sides.
  • the first friction layer 16 and the second friction layer 18 are carbide-ceramic friction layers with a high carbide content. They are made in one piece on or with the support body 14.
  • a carbide content in the first friction layer 16 or the second friction layer 18 on one friction side is at least 60% by volume and in particular at least 70% by volume.
  • the carbide content in the first friction layer 16 and the second friction layer 18 is approximately 70% by volume.
  • the carbide content in the support body 14 is lower. It is in particular in the range between 15% by volume and 65% by volume. In a specific embodiment, the carbide content in the support body 14 is in the range between approximately 10% by volume and 25% by volume.
  • the support body 14 and the friction layers 16, 18 are made of
  • the corresponding carbide material is a silicon carbide material, which contains a free carbon phase and contains carbon fibers.
  • the brake disc 10 is manufactured as follows:
  • the starting point for the support body 14 is a carrier.
  • the carrier is especially fiber-reinforced.
  • One or more layers of an X / Y fleece are deposited on the carrier 14.
  • the X / Y fleece has a two-dimensional dimension; Fibers in
  • X / Y fleece are essentially aligned in the X / Y plane.
  • Fibers with an orientation in the Z direction (which is perpendicular to the X direction and Y direction) are present at most to a small extent.
  • a volume fraction of fibers which are oriented in the Z direction is at most 7% and in particular at most 1%.
  • the fibers preferably have a length in the X / Y plane of the X / Y fleece of at least 1 mm and in particular of at least 5 mm. This length refers to at least 90% of the existing fibers.
  • the fiber length in the X / Y plane is at most 100 mm and in particular at most 40 mm, this being related in particular to at least 90% of the fibers of the X / Y fleece.
  • the fiber length (with at least 90% of the fibers present) in the X / Y plane is preferably between 5 mm and 40 mm inclusive.
  • the fibers can be, for example, aluminum oxide fibers, carbon fibers, aramid fibers, glass fibers or silicon carbide fibers.
  • the X / Y fleece is manufactured using a wet fleece process.
  • the starting material for this is short fibers (in particular with a cutting length of less than 25 mm).
  • the fiber material is dispersed in water, with auxiliaries such as carboxymethyl cellulose being used under certain circumstances.
  • auxiliaries such as carboxymethyl cellulose being used under certain circumstances.
  • a pulper is used for the dispersion.
  • the dispersion is fed into a storage container and the actual fiber-water consistency is set there with process water.
  • the actual formation of the fleece takes place in a further step.
  • the mixture is fed from the storage container into a circular distributor. This leads then the suspension of a wet fleece plant.
  • a hose system in a distribution system ensures a homogeneous mixture offering across an entire nominal system width.
  • a headbox there is a sieve and in particular an inclined sieve for holding fibers and drainage boxes are provided for separating process water. The fibers are sucked into the inclined screen by applying a vacuum. This results in an even formation of fleece.
  • a higher suction has an effect on under-occupied parts of the inclined screen. As a result, additional fiber material is deposited at these points.
  • the nonwoven which is still moist, goes through a drying step, which can be carried out in the form of contact drying or flow drying. If thermoplastic fibers or binders are also incorporated into the nonwoven, a nonwoven bonding can be achieved by heat treatment. This is followed by winding up or direct further processing.
  • An X / Y fleece with a minimized Z content of fibers can be produced using a wet fleece process.
  • an adjustable parameter is the fiber resolution.
  • the fiber resolution indicates how much the fibers are separated during dispersion. For example, long mixing at high speed leads to severely separated fibers in the dispersion. Accordingly, short mixing at low speed leads to lower fiber resolution.
  • the fiber orientation can be adjusted in particular by the flow speed of the fiber-water mixture in a headbox and the speed of the inclined screen.
  • a parameter that influences the formation of the corresponding fleece is the area-related mass, which is the fiber weight that is assigned to a certain area of a finished textile.
  • the uniformity of the fiber distribution over the entire textile surface is also a relevant parameter.
  • At least one layer of X / Y fleece with a low Z fiber content is provided.
  • the combination of carrier and at least one layer of X / Y fleece deposited thereon (produced by a wet fleece process) is then infiltrated with a carbon precursor such as a phenolic resin (or epoxy resin) and a green body is produced in particular in a hot pressing process.
  • a carbon precursor such as a phenolic resin (or epoxy resin)
  • the corresponding pressure and temperature parameters depend in particular on the carbon precursor.
  • the green body thus produced is then subjected to pyrolysis.
  • the pyrolysis is carried out with the exclusion of oxygen at a relatively high temperature for a certain time, and in the pyrolysis with the exclusion of oxygen volatile constituents of the carbon precursor are removed.
  • the pyrolysis takes place at temperatures of at least 900 ° C.
  • the result of the pyrolysis is an open-pored carbon body, in which case the starting bodies for the support body 14 and the friction layers 16, 18 are connected to one another in one piece.
  • a carbide former infiltration is then carried out on the open-pored carbon body.
  • LSI process Liquid Silicium Infiltration
  • liquid silicon is supplied to the open-pored carbon body.
  • the silicon as a carbide former reacts with carbon to form carbide.
  • a free carbide-forming phase in the case of silicon as the carbide-forming agent, a free silicon phase
  • a free carbon phase can remain, depending on the process implementation.
  • the method is carried out in such a way that a free carbide-forming phase is minimized.
  • a green body is then produced, starting from the at least one layer of X / Y fleece, in which, in the area of the at least one layer of X / Y fleece, the fiber volume content with strong fiber dissolution in the wet fleece method is at least 30% and then in the finished component is at least 20%.
  • the maximum fiber volume content in a specific exemplary embodiment is 34.4% in the green body and 24.6% in the finished component (in the ceramic) with high fiber resolution when using carbon fibers.
  • the fiber volume content in the green body is preferably at least 40% and in the ceramic (in the component) is preferably at least 30%.
  • the fiber volume content is in the region of the at least one layer when the fiber bundle structure is obtained
  • the reinforcement structure in the finished component and also the ceramic conversion during the manufacture of the component can be influenced.
  • components other than brake disks can also be produced.
  • the brake disc 10 can be manufactured with a relatively small number of individual steps; there is no need to join a friction layer 16 or 18, since a one-piece production takes place during the production of the green body.
  • the at least one layer of X / Y nonwoven which is produced using a wet nonwoven process, can be used to achieve a graded structure of the individual nonwoven layers.
  • a graded structure in a ceramic body for example, can reduce the formation of cracks, particularly in the case of friction layers. This keeps or prevents the penetration of liquids. Damage or chipping of a friction layer from its supporting body is counteracted.
  • the grading also allows the thermal expansion to be adjusted; this largely avoids typical crack formation during a manufacturing process.
  • the carbide formation can be influenced by different X / Y fleece variants. This in turn makes it possible to achieve an adapted, targeted, graded structure by using different X / Y fleece variants.
  • fibers in the Z direction in the X / Y fleece Due to the very low proportion of fibers in the Z direction in the X / Y fleece, a graded layer structure can be achieved without delamination. As a result, fibers can also be used for the X / Y fleece with longer fiber lengths (in particular in the range between 5 mm and 40 mm).
  • the manufacturing process can be carried out in a material-saving manner, since scrap residues can be reused in the manufacture of the X / Y fleece.
  • a component can also be produced which in particular comprises a very high volume fraction of carbide, which can be used for example in a ballistic protection application.
  • FIG. 4 shows a microstructure image of a corresponding component in the area of a layer with X / Y fleece.
  • the X / Y fleece used had a low fiber resolution in the production of wet fleece; this means that the fiber bundles in the X / Y fleece were essentially preserved.
  • the dark areas in FIG. 4, which are indicated in FIG. 4 by the reference number 20, consist of carbon fibers and amorphous carbon. (For the component, the X / Y fleece is made from carbon fibers.)
  • the gray areas consist of silicon carbide.
  • the white areas consist of free silicon (that is to say the free silicon phase).
  • FIG. 5 shows a microstructure image from another component, with the X / Y fleece made of carbon fibers used having a high fiber resolution during the production of the wet fleece. 5 shows the reduced carbon content compared to FIG. 4 and the increased content of silicon carbide 22.
  • Figure 6 shows a microstructure image on an X / Y fleece in the
  • the Y direction is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the corresponding image was subjected to image processing so that individual fibers can be better recognized against the background (in the drawing in white).
  • the black areas in FIG. 6 are individual fibers which are oriented in the XY plane due to the use of an X / Y fleece in the production of the green body. It can be seen that there is practically no Z orientation of individual fibers.
  • components (materials) with different carbon contents and / or carbide contents can be produced by setting the parameter fiber resolution and alternatively or in combination with the other parameters mentioned.
  • corresponding components can also be used for radar-transparent structures, for thermal protection systems or also for applications in the field of energy storage systems, for example for housings for latent heat storage.
  • a green body produced can also be used advantageously for certain applications, in particular in the form of a CFRP body.

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Abstract

Es wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung eines Grünkörpers, insbesondere als Vorkörper für ein keramisches Bauteil, bei dem unter Verwendung mindestens einer Lage eines X/Y-Vlieses ein Grünkörper hergestellt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers und eines keramischen Bauteils, Grünkörper und keramisches Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers, insbesondere als Vorkörper für ein keramisches Bauteil.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils.
Ferner betrifft die Erfindung ein Grünkörper-Bauteil und ein keramisches Bau- teil.
Die US 2004/0005462 Al offenbart ein Gleitmaterial, welches aus einem Kohlenstoffaser-verstärkten Kohlenstoffkompositmaterial besteht, welches Partikel enthält.
Die DE 38 40 781 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Faser- verbundkeramiken, bei dem in einem ersten Schritt Fasern mit einem schmelzflüssigen Polysilazan imprägniert und in einem zweiten Schritt das Polysilazan in den Fasern mittels NH3, Urotropin, einem Amin oder einem Chlorsilan in den unschmelzbaren Zustand überführt und in einem dritten Schritt die imprägnierten Fasern auf 800°C bis 2000°C in Stickstoff-, Edelgas- oder Ammoniak-Atmosphäre erhitzt wird.
Die DE 693 21 151 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Teilen aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix.
Aus der DE 10 2007 053 499 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Reib- scheiben aus faserverstärkten keramischen Werkstoffen bekannt.
Aus der DE 44 38 456 Al ist eine Reibeinheit bekannt. Aus der DE 100 60 566 Al ist ein Reibkörper aus Silicium-infiltriertem, kohlen- stofffaser-verstärkten porösen Kohlenstoff bekannt.
Aus der DE 44 38 455 CI ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Reibeinheit bekannt.
Aus der DE 197 21 773 Al ist eine Bremstrommel-Baugruppe bekannt.
Aus der DE 198 05 868 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faser- verbund Werkstoffs bekannt.
Aus der DE 198 34 704 Al ist ein Reibring für eine Reibbremse bekannt.
Aus der DE 199 01 250 Al ist eine Scheibenbremse bekannt.
Aus der DE 10 2005 052 802 Al ist eine Bremsscheibe mit Zwischenschicht bekannt.
Aus der DE 10 2006 057 939 Al ist eine friktionsbelastbare Scheibe aus faser- verstärkter Keramik bekannt.
Aus der DE 10 2007 040 128 Al ist eine Scheibenbremse mit zwei Keramik- bremsscheiben bekannt.
Aus der US 9,005,732 B2 ist eine reibungstolerante Scheibe aus faser- verstärkter Keramik bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge- nannten Art bereitzustellen, mit dem sich Grünkörper mit vorteilhaften Eigen- schaften hersteilen lassen. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unter Verwendung mindestens einer Lage eines
X/Y-Vlieses ein Grünkörper hergestellt wird.
Der Grünkörper ist ein faserverstärkter Körper und insbesondere ein
CFK-Körper. Er kann selber als Bauteil verwendet werden, oder er kann bei- spielsweise als Grundlage zur Herstellung eines Keramikkörpers dienen, wobei der Keramikkörper insbesondere ein CMC-Körper ist.
Das X/Y-Vlies weist höchstens einen geringen Anteil an Fasern mit Orien- tierung in Z-Richtung auf. Grundsätzlich können Fasern, welche in Z-Richtung orientiert sind, beim Verpressen von Vliesstoffen Rückstellkräfte induzieren. Dies führt dazu, dass bei der Verwendung von solchen Vliesstoffen nur geringe Faservolumengehalte beispielsweise in der Größenordnung von 20 % oder weniger möglich sind.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mindestens eine Lage eines
X/Y-Vlieses verwendet. Durch den entsprechend geringen Faseranteil in Z-Richtung können X/Y-Vliese stärker komprimiert werden. Dadurch sind höhere Faservolumengehalte in dem Grünkörper und auch beispielsweise an einem daraus hergestellten Keramikkörper möglich.
Weiterhin neigt ein Grünkörper grundsätzlich zur Delamination während einer Pyrolyse. Aufgrund der verringerten Rückstellkräfte durch die erfindungs- gemäße Verwendung von mindestens einer Lage an X/Y-Vlies ist die Dela- minationsneigung verringert.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, bei der mindestens eine Lage eines X/Y-Vlieses mit höchstens einem geringen Anteil an Fasern mit Orientierung in Z-Richtung verwendet wird, lassen sich die Probleme, die sonst mit Vlies- stoffen verbunden sind, insbesondere bei der Keramikherstellung, verringern bzw. sogar eliminieren. Durch die Verwendung mindestens einer Lage eines X/Y-Vlieses lassen sich insbesondere Faservolumengehalte beispielsweise größer als 30 % im Grün- körper und beispielsweise größer als 20 % in einem Keramikkörper erreichen. Der so hergestellte Werkstoff bzw. das so hergestellte Bauteil hat aufgrund des geringen Anteils an Fasern mit Orientierung in Z-Richtung eine sehr ge- ringe Delaminationsgefahr.
Weiterhin ist es auch möglich, durch unterschiedliche Varianten des
X/Y-Vlieses eine Carbidbildung bei einem Keramisierungsprozess, welche von dem hergestellten Grünkörper ausgeht, gezielt zu beeinflussen. Es können so beispielsweise Werkstoffe mit hoher Carbidumsetzung bei der Keramisierung hergestellt werden oder es können Werkstoffe mit geringer Carbidumsetzung bei der Keramisierung hergestellt werden.
Ferner ist es möglich, durch Verwendung von X/Y-Vlieslagen mit unterschied- lichen Eigenschaften gradierte Werkstoffe bzw. gradierte Bauteile herzustellen. Insbesondere lässt sich dadurch eine Gradierung bei der Carbidbildung er- reichen.
Beispielsweise lässt sich durch einen gradierten Keramikaufbau eines ent- sprechenden keramischen Bauteils, welches aus dem entsprechenden Grün- körper hergestellt wird, eine Bildung von Rissen bei Reibschichten reduzieren. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeiten gering gehalten bzw. ver- hindert. Dadurch wird wiederum einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen einer Reibschicht von ihrem Tragkörper entgegengewirkt.
Die Gradierung ermöglicht zudem eine Anpassung der Wärmeausdehnung ins- besondere eines Keramikwerkstoffes. Dadurch wird einer typischen Riss- bildung während eines Herstellungsprozesses vorgebeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich integral realisieren. Insbesondere lässt sich beispielsweise eine Reibschicht (welche an einem Bereich mit der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wird) integral mit einem Träger verbinden. Es ist dadurch nur eine relativ geringe Anzahl von Einzelschritten notwendig. Insbesondere ist keine separate Grünkörperfertigung eines Trag- körpers und einer Reibschicht mit einer anschließenden Fügung der Bauteile notwendig. Die integrale Fertigung ermöglicht eine direkte endkonturnahe Herstellung eines Grünkörpers, welcher sowohl einen im endgültigen Bauteil realisierten Tragkörper und mindestens eine Reibschicht umfasst.
Es lässt sich ferner eine gute Anpassung eines Bereichs an dem Bauteil, wel- cher ausgehend von der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, an die Wärmeausdehnung eines entsprechenden Tragkörpers er- reichen.
Der Herstellungsprozess lässt sich materialsparend durchführen, da Ver- schnittreste zur Herstellung des X/Y-Vlieses wiederverwendet werden können. Grundsätzlich ist auch die Verwendung von recyceltem Fasermaterial (ins- besondere in einem Nassvliesverfahren) möglich.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zur Herstellung des Grünkörpers weitere Füllstoffe wie beispielsweise Graphitpulver verwendet werden.
Bei einer optionalen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies an einem Träger positioniert wird und der Grünkörper aus einer Kombination der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies und dem Trä- ger hergestellt wird. Es ergibt sich so ein effektiver Herstellungsprozess mit Minimierung der einzelnen Schritte. Der Träger und eine an dem Träger her- gestellte Schicht lassen sich integral und insbesondere einstückig miteinander verbinden. Es entstehen keine Anbindungsprobleme für die nachträgliche Her- stellung einer Schicht auf einem Träger. Es lässt sich so insbesondere eine Reibschicht an einem Tragkörper realisieren. Die Verbindung von mindestens zwei Lagen an X/Y-Vlies mit einem Träger ermöglicht es auch, eine gradierte Anbindung der Vliesstoffe zu erreichen. Die Gradierung kann so aufgebaut werden, dass die Unterschiede in der Wärmeausdehnung zwischen einer her- gestellten Reibschichtoberfläche und einem hergestellten Tragkörper aus- geglichen werden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das X/Y-Vlies einen Faseranteil in Z-Richtung von höchstens 7 Volumen-% und insbesondere von höchstens 3 Volumen-% und insbesondere von höchstens 1 Volumen-% aufweist.
Weiterhin lassen sich dadurch Rückstellkräfte beim Verpressen von Vlies- stoffen gering halten. Dadurch lässt sich effektiv die Gefahr einer Delamination verhindern.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn Fasern im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene von mindestens 1 mm und insbesondere von mindestens 5 mm aufweisen. Insbesondere weisen mindestens 90 % der Fasern eine sol- che Länge auf.
Es hat sich ebenfalls als günstig erwiesen, wenn Fasern im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene von höchstens 100 mm und insbesondere von höchstens 40 mm aufweisen. Insbesondere weisen mindestens 90 % der Fasern diese Länge auf. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn Fasern (ins- besondere mindestens 90 % der Fasern) im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene im Bereich zwischen 5 mm und 40 mm aufweisen.
Die Fasern des X/Y-Vlieses können beispielsweise aus mindestens einem der folgenden Materialien sein : Aluminiumoxid, Carbon, Siliciumcarbid, Aramid, Glas. Es ist grundsätzlich möglich, dass das X/Y-Vlies aus einem Material her- gestellt ist oder aus einer Materialmischung je nach Anwendungsfall hergestellt ist.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies durch ein Nassvliesverfahren hergestellt wird. Es wird in diesem Zusammen- hang auf "Vliesstoffe: Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung", Herausgeber W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Verlag John Wiley & Sons, 2009, Weinheim verwiesen. Über ein Nassvliesverfahren lässt sich gezielt ein X/Y-Vlies hersteilen, welches einen geringen Z-Faseranteil auf- weist. Über bestimmte Parameter im Nassvliesverfahren lässt sich eine Zu- sammensetzung des hergestellten keramisierten Werkstoffes insbesondere bezüglich Carbidgehalt und/oder Kohlenstoffgehalt einstellen.
Es ist dann günstig, wenn ein Kohlenstoffanteil und/oder Carbid-Anteil in dem Bauteil in einem Bereich ausgehend von der mindestens einen Lage an
X/Y-Vlies über einen oder mehrere Parameter der Durchführung des Nass- vliesverfahrens eingestellt wird.
Der oder die Parameter umfassen beispielsweise einen Faserauflösungsgrad bei der Nassvliesherstellung, die Dispergierfähigkeit von Fasern, eine Strö- mungsgeschwindigkeit eines Faser-Wasser-Gemisches, eine Siebband- geschwindigkeit, eine flächenbezogene Masse eines Vliesstoffes, die Steifigkeit von Fasern für die Vliesherstellung oder eine Faserlänge von Fasern bei der Vliesherstellung. Beispielsweise lässt sich der Anteil an Kohlenstoff und Carbid in einem auf Grundlage des entsprechenden Grünkörpers hergestellten carbidkeramischen Werkstoffs über den Faserauflösungsgrad steuern. Eine starke Auflösung einer Faserbündelstruktur zu Einzelfilamenten führt zu einem hohen Carbidanteil in dem keramischen Werkstoff. Eine geringe Auflösung der Faserbündelstruktur führt zu einem hohen Anteil an Kohlenstoff im Werkstoff, wobei dieser Kohlenstoffanteil sich zusammensetzt aus Kohlenstoff in Carbon- fasern und aus Kohlenstoff in einer amorphen Kohlenstoffmatrix. Um bei- spielsweise die Faserbündelauflösung gering zu halten, kann es vorgesehen sein, dass im Nassvliesprozess längere Fasern insbesondere im Bereich zwi- schen 15 mm und 40 mm verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform beträgt ein Faservolumengehalt in dem Grünkörper für die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies mindestens 20 Volumen% und ins- besondere mindestens 30 Volumen% und insbesondere mindestens
40 Volumen%, insbesondere wenn Carbonfasern (Kohlenstofffasern) ver- wendet werden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Träger faserverstärkt ist.
Insbesondere wird der Grünkörper mittels eines Kohlenstoffprecursors und beispielsweise eines Phenolharzes oder Epoxyharzes hergestellt.
Bei einer Ausführungsform wird der Grünkörper in einem Warmpressverfahren, Autoklavverfahren oder Infiltrationsverfahren hergestellt. Es kann dann dem Grünkörper auch eine definierte Form gegeben werden.
Erfindungsgemäß wird ein Bauteil bereitgestellt, welches nach dem er- findungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dieses Bauteil ist ein Grünkörper beispielsweise in der Form eines CFK-Körpers.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils bereitzustellen, mit dem sich keramische Bauteile mit vorteilhaften Eigenschaften insbesondere hinsichtlich Faserverstärkung und Carbidumsetzung hersteilen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Grünkörper eine Pyrolyse durchgeführt wird, und an einem resultierenden offenporösen Körper (ins- besondere Kohlenstoffkörper) eine Keramisierung durchgeführt wird.
Es lässt sich so ein Keramikwerkstoff hersteilen, welcher über ein Vlies faser- verstärkt ist, und dabei einen hohen Faservolumengehalt von beispielsweise 20 % bis 35 % aufweist. Die Delaminationsgefahr für ein entsprechend her- gestelltes Bauteil ist gering.
Es lässt sich durch unterschiedliche X/Y-Vlies-Varianten die Carbidbildung bei der Keramisierung beeinflussen. Es können gradierte Werkstoffe hergestellt werden, welche beispielsweise bezüglich der Carbidbildung gradiert sind. Beispielsweise lässt sich durch einen gradierten Keramikaufbau der Bildung von Rissen bei Reibschichten entgegenwirken. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeit gering gehalten bzw. verhindert. Dadurch wird wiederum einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen einer Reibschicht von einem Tragkörper entgegengewirkt. Die Gradierung ermöglicht eine Anpassung der Wärme- ausdehnung eines entsprechenden Keramikwerkstoffs, um auch so einer Riss- bildung entgegenzuwirken bzw. vorzubeugen.
Günstigerweise wird die Keramisierung durch Infiltrierung des offenporösen Kohlenstoffkörpers mit flüssigem Carbidbildner durchgeführt, wobei der Carbidbildner insbesondere Silicium ist. Das flüssige Silicium reagiert mit Koh- lenstoff im offenporösen Kohlenstoffkörper und bildet Carbid. Die Offen- porosität des Kohlenstoffkörpers ermöglicht die Infiltrierung mit Carbidbildner.
Es ist günstig, wenn ein Faservolumengehalt in dem keramischen Bauteil in einem Bereich, der mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, bei mindestens 20 Volumen-% liegt, insbesondere bei der Verwendung von Carbonfasern.
Bei einer Ausführungsform wird mittels der mindestens einen Lage an
X/Y-Vlies mindestens eine Reibschicht auf einem Tragkörper hergestellt. Es lässt sich so beispielsweise eine Bremsscheibe hersteilen. Die Reibschicht, wel- che mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, kann mit entsprechenden vorteilhaften Eigenschaften versehen werden, wie bei- spielsweise einer hohen Härte über einen hohen Carbid-Anteil. Die Reibschicht lässt sich mit geringer Rissbildung hersteilen, sodass eine Delaminationsgefahr bzw. Abplatzgefahr verringert ist.
Günstig ist es dann, wenn die mindestens eine Reibschicht einen Carbid-Anteil von mindestens 60 Volumen-% und insbesondere mindestens 70 Volumen-% aufweist. Für den Tragkörper ist es günstig, wenn er einen Carbid-Anteil im Bereich zwi- schen 15 Volumen-% und 65 Volumen-% aufweist. Es lässt sich so eine effek- tive Anordnung einer Reibschicht an dem Tragkörper erreichen.
Erfindungsgemäß wird ein Bauteil bereitgestellt, welches gemäß dem erfin- dungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Insbesondere ist ein Tragkörper vorhanden und es ist mindestens eine Reib- schicht vorhanden, welche an dem Tragkörper positioniert ist, wobei die min- destens eine Reibschicht mittels mindestens einer Lage an X/Y-Vlies her- gestellt ist, wobei insbesondere das X/Y-Vlies durch ein Nassvliesverfahren hergestellt wurde.
Vorteilhafterweise liegt ein Carbidanteil an der mindestens einen Reibschicht bei mindestens 60 Volumen-% und bei insbesondere mindestens 70 Volumen- %, und insbesondere liegt ein Carbid-Anteil im Tragkörper im Bereich zwi- schen 15 Volumen-% und 65 Volumen-%.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das ent- sprechende (keramische) Bauteil einen gradierten Aufbau aufweist. Insbeson- dere kann durch Verwendung mindestens einer ersten Lage und einer zweiten Lage eines X/Y-Vlieses ein gradierter Aufbau bezüglich einer Reibschicht er- zeugt werden. Dadurch lässt sich eine Reibschicht mit geringer Rissbildung hersteilen. Dadurch wiederum ist die Delaminationsgefahr bzw. Abplatzgefahr verringert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zu- sammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :
Figur 1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils in
Form einer Bremsscheibe; Figur 2 eine Schnittansicht des Bauteils gemäß Figur 1 längs der Linie 2-2;
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A gemäß Figur 2;
Figur 4 eine Mikrostrukturaufnahme an einem Bauteil, welches gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei eine Faserbündelstruktur im Wesentlichen bei einer Nassvlies- herstellung erhalten blieb;
Figur 5 eine Mikrostrukturaufnahme an einem weiteren Ausführungs- beispiel eines Bauteils, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei Faserbündel bei einer Nassvliesherstellung aufgelöst wurden; und
Figur 6 eine Mikrostrukturaufnahme eines Ausführungsbeispiels eines
X/Y-Vlieses in einer X-Z-Ebene (die Y-Richtung ist senkrecht zur Bildebene), wobei die Aufnahme mittels Bildbearbeitung so bearbeitet wurde, dass Einzelfasern erkennbar sind.
Ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils ist eine keramische Bremsscheibe 10 (Figuren 1 bis 3).
Die Bremsscheibe 10 ist beispielsweise ringförmig ausgebildet und insbeson- dere kreisringförmig ausgebildet mit einer zentralen durchgehenden Öffnung 12. Die Bremsscheibe 10 umfasst einen Tragkörper 14 (Figuren 2, 3), welcher aus einem carbidkeramischen Material hergestellt ist und insbesondere faser- verstärkt ist. An dem Tragkörper 14 sind eine erste Reibschicht 16 und eine zweite Reibschicht 18 an gegenüberliegenden Seiten angeordnet. Die erste Reibschicht 16 und die zweite Reibschicht 18 sind carbidkeramische Reib- schichten mit einem hohen Carbid-Anteil. Sie sind einstückig an bzw. mit dem Tragkörper 14 hergestellt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Carbidanteil in der ersten Reib- schicht 16 bzw. der zweiten Reibschicht 18 an einer Reibseite bei mindestens 60 Volumen-% und insbesondere bei mindestens 70 Volumen-% liegt.
Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel liegt der Carbidanteil in der ersten Reibschicht 16 und der zweiten Reibschicht 18 bei ca. 70 Volumen-%.
Der Carbidanteil in dem Tragkörper 14 ist geringer. Er liegt insbesondere im Bereich zwischen 15 Volumen-% und 65 Volumen-%. Bei einer konkreten Ausführungsform liegt der Carbidanteil in dem Tragkörper 14 im Bereich zwi- schen ca. 10 Volumen-% und 25 Volumen-%.
Insbesondere sind der Tragkörper 14 und die Reibschichten 16, 18 aus
C/C-SiC hergestellt.
Das entsprechende Carbidmaterial ist ein Siliciumcarbid-Material, wobei eine freie Kohlenstoffphase enthalten ist und Kohlenstofffasern enthalten sind.
Die Bremsscheibe 10 wird wie folgt hergestellt:
Ausgangspunkt für den Tragkörper 14 ist ein Träger. Der Träger ist insbeson- dere faserverstärkt.
An dem Träger 14 werden eine oder mehrere Lagen eines X/Y-Vlieses ab- gelegt.
Das X/Y-Vlies weist eine zweidimensionale Ausdehnung auf; Fasern im
X/Y-Vlies sind im Wesentlichen in der X/Y-Ebene ausgerichtet. Fasern mit einer Ausrichtung in der Z-Richtung (welche senkrecht zur X-Richtung und Y-Richtung ist) sind höchstens in geringem Umfang vorhanden. Insbesondere beträgt ein Volumenanteil von Fasern, welche in Z-Richtung ausgerichtet sind, höchstens 7 % und insbesondere höchstens 1 %. Bevorzugt weisen die Fasern eine Länge in der X/Y-Ebene des X/Y-Vlieses von mindestens 1 mm und insbesondere von mindestens 5 mm auf. Diese Länge bezieht sich dabei auf mindestens 90 % der vorhandenen Fasern.
Ferner liegt die Faserlänge in der X/Y-Ebene bei höchstens 100 mm und ins- besondere bei höchstens 40 mm, wobei dies insbesondere auf mindestens 90 % der Fasern des X/Y-Vlieses bezogen ist.
Bevorzugterweise liegt die Faserlänge (bei mindestens 90 % der vorhandenen Fasern) in der X/Y-Ebene zwischen einschließlich 5 mm und einschließlich 40 mm.
Die Fasern können beispielsweise Aluminiumoxid-Fasern, Carbonfasern, Aramidfasern, Glasfasern oder Siliciumcarbidfasern sein.
Das X/Y-Vlies ist durch ein Nassvliesverfahren hergestellt.
Bei der Herstellung von Nassvliesen sind üblicherweise drei Schritte vor- gesehen, nämlich (1) die Stoffaufbereitung, (2) die Vliesbildung und (3) die Trocknung-Verfestigung. Üblicherweise erfolgt dann eine Aufwicklung.
Es wird zunächst eine homogene Faser-Wasser-Suspension erzeugt. Das Aus- gangsmaterial dafür sind Kurzfasern (insbesondere mit einer Schnittlänge kleiner 25 mm). Das Fasermaterial wird in Wasser dispergiert, wobei unter Umständen dazu Hilfsmittel wie Carboxymethylcellulose eingesetzt werden. Insbesondere wird zur Dispergierung ein Pulper eingesetzt.
Nach entsprechender Mischzeit wird die Dispension in einen Vorratsbehälter geleitet und dort mit Prozesswasser die eigentliche Faser-Wasser-Konsistenz eingestellt.
In einem weiteren Schritt erfolgt die eigentliche Vliesbildung. Dazu wird das Gemisch aus dem Vorratsbehälter in einen Rundverteiler geleitet. Dieser führt dann die Suspension einer Nassvliesanlage zu. Ein Schlauchsystem einer Ver- teileranlage sorgt für ein homogenes Gemischangebot über eine gesamte An- lagennennbreite. In einem Stoffauflauf ist ein Sieb und insbesondere Schräg- sieb zur Aufnahme von Fasern und es sind Entwässerungskästen zum Ab- scheiden von Prozesswasser vorgesehen. Die Fasern werden über Unterdruck- beaufschlagung auf dem Schrägsieb angesaugt. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Vliesbildung.
An unterbelegten Stellen des Schrägsiebs wirkt ein höherer Sog. Dadurch legt sich weiteres Fasermaterial an diesen Stellen ab.
Über Rohrsaugen erfolgt eine Entwässerung bis zu einem Restfeuchtegehalt von ca. 15 % bis 50 %.
Es können anschließend Ausrüstungschemikalien aufgebracht werden.
Abschließend durchläuft das noch feuchte Vlies einen Trocknungsschritt, wel- cher in Form einer Kontakttrocknung bzw. Durchströmtrocknung ausgeführt sein kann. Falls thermoplastische Fasern oder Bindemittel mit in das Vlies ein- gebracht sind, lässt sich durch Wärmebehandlung eine Vliesverfestigung er- reichen. Anschließend erfolgt eine Aufwicklung bzw. eine direkte Weiter- verarbeitung.
Durch ein Nassvliesverfahren lässt sich ein X/Y-Vlies mit minimiertem Z-Anteil von Fasern hersteilen.
Es wird in diesem Zusammenhang auf die Veröffentlichung "Vliesstoffe: Roh- stoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung", Herausgeber W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Verlag John Wiley & Sons, 2009, Weinheim verwiesen.
Unterschiedliche Arten von Nassvliesen lassen sich durch Parametervariationen hersteilen. Beispielsweise ist ein einstellbarer Parameter die Faserauflösung. Die Faserauflösung gibt an, wie stark die Fasern beim Dispergieren vereinzelt werden. Beispielsweise führt langes Mischen bei hoher Drehzahl zu stark ver- einzelten Fasern in der Dispersion. Entsprechend führt kurzes Mischen bei ge- ringer Drehzahl zu niedrigerer Faserauflösung.
Weiterhin lässt sich die Faserorientierung insbesondere durch die Strömungs- geschwindigkeit des Faser-Wasser-Gemisches in einem Stoffauflauf und die Geschwindigkeit des Schräg-Siebs einstellen.
Ferner ist ein Parameter, welcher die Ausbildung des entsprechenden Vlieses beeinflusst, die flächenbezogene Masse, welche das Fasergewicht ist, welches einer bestimmten Fläche eines fertigen Textils zugeordnet wird.
Auch die Gleichmäßigkeit der Faserverteilung über die gesamte textile Fläche ist ein relevanter Parameter.
Weiterhin sind relevante Parameter die Steifigkeit und die Länge von Fasern.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, wie oben erwähnt, dass mindestens eine Lage an X/Y-Vlies mit geringem Z-Faseranteil bereitgestellt wird.
Die Kombination aus Träger und daran abgelegter mindestens einen Lage an X/Y-Vlies (hergestellt durch ein Nassvliesverfahren) wird dann mit einem Kohlenstoff-Precursor wie einem Phenolharz (oder Epoxyharz) infiltriert und es wird insbesondere in einem Warmpressverfahren ein Grünkörper hergestellt.
Die entsprechenden Druck- und Temperaturparameter richten sich insbeson- dere nach dem Kohlenstoff-Precursor.
Der so hergestellte Grünkörper wird dann einer Pyrolyse unterzogen. Die Pyrolyse erfolgt unter Sauerstoffausschluss bei relativ hohen Temperatur für eine bestimmte Zeit, wobei bei der Pyrolyse unter Sauerstoffausschluss flüch- tige Bestandteile des Kohlenstoff-Precursors entfernt werden. Insbesondere erfolgt die Pyrolyse unter Temperaturen von mindestens 900°C.
Das Ergebnis der Pyrolyse ist ein offenporöser Kohlenstoffkörper, wobei dann die Ausgangskörper für den Tragkörper 14 und die Reibschichten 16, 18 ein- stückig miteinander verbunden sind.
An dem offenporösen Kohlenstoffkörper wird dann eine Carbidbildner- infiltrierung durchgeführt. Bei dem LSI-Verfahren (Liquid Silicium Infiltration) wird flüssiges Silicium dem offenporösen Kohlenstoffkörper zugeführt. Der Sili- cium als Carbidbildner reagiert mit Kohlenstoff zu Carbid. Es kann dabei grundsätzlich eine freie Carbidbildner-Phase (im Falle von Silicium als Carbid- bildner eine freie Silicium-Phase) verbleiben und es kann eine freie Kohlen- stoff-Phase verbleiben, je nach Verfahrensdurchführung.
Insbesondere wird das Verfahren so durchgeführt, dass eine freie Carbid- bildner-Phase minimiert ist.
Es wird insbesondere dann eine Grünkörper hergestellt, ausgehend von der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies, bei dem im Bereich der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies der Faservolumengehalt bei starker Faserauflösung im Nassvliesverfahren mindestens 30 % und dann im fertigen Bauteil bei min- destens 20 % liegt. Beispielsweise beträgt der maximale Faservolumengehalt bei einem konkreten Ausführungsbeispiel 34,4 % im Grünkörper und 24,6 % im fertigen Bauteil (in der Keramik) bei starker Faserauflösung, bei Ver- wendung von Carbonfasern.
Bei geringer Faserauflösung im Nassvliesverfahren, bei welcher die Faser- bündelstruktur im Wesentlichen erhalten bleibt, beträgt der Faservolumen- gehalt im Grünkörper vorzugsweise mindestens 40 % und in der Keramik (im Bauteil) bevorzugterweise mindestens 30 %. Bei einer konkreten Ausführungsform liegt der Faservolumengehalt bei er- haltener Faserbündelstruktur im Bereich der mindestens einen Lage an
X/Y-Vlies im Grünkörper bei 45,2 % und in der Keramik bei 37 %, bei Ver- wendung von Carbonfasern.
Grundsätzlich lässt sich über Einstellung der Faserauflösung bei der Her- stellung des X/Y-Vlieses bei der Nassvliesherstellung die Verstärkungsstruktur im fertigen Bauteil und auch die Keramikumsetzung bei der Herstellung des Bauteils beeinflussen.
Über das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich auch andere Bauteile als Bremsscheiben hersteilen.
Grundsätzlich lässt sich die Bremsscheibe 10 mit einer relativ geringen Anzahl von Einzelschritten hersteilen; es muss keine Reibschicht 16 bzw. 18 gefügt werden, da eine einstückige Herstellung bereits bei der Grünkörperherstellung erfolgt.
Es ist auch möglich, dass über die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies, wobei dieses über ein Nassvliesverfahren hergestellt ist, ein gradierter Aufbau der einzelnen Vlieslagen erreicht werden kann. Durch einen gradierten Aufbau in einem Keramikkörper lässt sich beispielsweise die Bildung von Rissen ins- besondere bei Reibschichten reduzieren. Dadurch wird das Eindringen von Flüssigkeiten gering gehalten bzw. verhindert. Es wird einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen einer Reibschicht von ihrem Tragkörper entgegen- gewirkt.
Die Gradierung ermöglicht zudem eine Anpassung der Wärmeausdehnung; dadurch wird eine typische Rissbildung während eines Herstellungsprozesses weitgehend vermieden.
Durch die Reduzierung von Rissen lässt sich das Eindringen von Flüssigkeiten in den Reibschichten 16, 18 bei der Bremsscheibe 10 minimieren. Dadurch wird einer Beschädigung bzw. einem Abplatzen in einer Anwendungssituation der Reibschicht 16, 18 entgegengewirkt.
Durch unterschiedliche X/Y-Vliesvarianten lässt sich die Carbidbildung be- einflussen. Dies wiederum ermöglicht es, durch den Einsatz unterschiedlicher X/Y-Vliesvarianten einen angepassten gezielten gradierten Aufbau zu er- reichen.
Durch den sehr geringen Anteil an in Z-Richtung gerichteten Fasern bei dem X/Y-Vlies lässt sich ein gradierter Lagenaufbau ohne Delaminationen erzielen. Es lassen sich dadurch auch Fasern für das X/Y-Vlies mit größeren Faserlängen (insbesondere im Bereich zwischen 5 mm und 40 mm) verwenden.
Es lässt sich ferner dadurch insbesondere über eine gradierte Ausbildung eine gute Anpassung an die Wärmeausdehnung des Tragkörpers 14 erreichen.
Weiterhin lässt sich der Herstellungsprozess materialsparend durchführen, da Verschnittreste bei der Herstellung des X/Y-Vlieses wieder verwendet werden können.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass unterschiedliche Materialien bei der Herstellung des X/Y-Vlieses verwendet werden. Dadurch wiederum kann Ein- fluss auf die thermischen und trobologischen Eigenschaften der so her- gestellten Reibschicht 16 bzw. 18 genommen werden.
Beispielsweise kann auch ein Bauteil hergestellt werden, welches insbesondere einen sehr hohen Volumenanteil an Carbid umfasst, welches beispielsweise bei einer ballistischen Schutzanwendung eingesetzt werden kann.
In Figur 4 ist eine Mikrostrukturaufnahme bei einem entsprechenden Bauteil im Bereich einer Lage mit X/Y-Vlies gezeigt. Das verwendete X/Y-Vlies hatte dabei eine geringe Faserauflösung bei der Nassvliesherstellung; dies bedeutet, dass die Faserbündel im X/Y-Vlies im Wesentlichen erhalten blieben. Die dunklen Bereiche in Figur 4, welche in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 20 angedeutet sind, bestehen aus Kohlenstofffasern und amorphem Kohlenstoff. (Bei dem Bauteil ist das X/Y-Vlies aus Kohlenstofffasern hergestellt.)
Die grauen Bereiche, angedeutet mit dem Bezugszeichen 22, bestehen aus Siliciumcarbid.
Die weißen Bereiche (angedeutet mit dem Bezugszeichen 24) bestehen aus freiem Silicium (das heißt der freien Siliciumphase).
In Figur 5 ist eine Mikrostrukturaufnahme aus einem anderen Bauteil gezeigt, wobei bei dem verwendeten X/Y-Vlies aus Carbonfasern eine hohe Faser- auflösung bei der Nassvliesherstellung vorlag. Man erkennt in Figur 5 den im Vergleich zu Figur 4 verringerten Kohlenstoffanteil und den erhöhten Anteil an Siliciumcarbid 22.
Man sieht aus dem Vergleich mit den Figuren 4 und 5, dass die Faserauflösung bei der Nassvliesherstellung im X/Y-Vlies die Mikrostruktur des keramischen Bauteils wesentlich beeinflusst.
Figur 6 zeigt eine Mikrostrukturaufnahme an einem X/Y-Vlies in der
X-Z-Ebene. Die Y-Richtung ist senkrecht zur Zeichenebene.
Die entsprechende Aufnahme wurde einer Bildbearbeitung unterzogen, damit Einzelfasern besser vor dem Hintergrund (in der Zeichnung in Weiß) erkennbar sind.
Die schwarzen Bereiche in Figur 6 sind Einzelfasern, die in der X-Y-Ebene auf- grund Verwendung eines X/Y-Vlieses bei der Herstellung des Grünkörpers ori- entiert sind. Man erkennt, dass eine Z-Orientierung von Einzelfasern praktisch nicht vor- handen ist.
Insbesondere lassen sich über die Einstellung des Parameters Faserauflösung und alternativ oder in Kombination mit den anderen erwähnten Parametern Bauteile (Werkstoffe) mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten und/oder Carbidgehalten hersteilen.
Dadurch wiederum ist eine Gradierung eines Bauteils insbesondere bezüglich des Gehalts an Carbid und/oder Kohlenstoff möglich.
Es lässt sich so eine optimierte Anpassung an friktionsbelastete Anwendungen (wie eine Bremsscheibe) ermöglichen, öder es lassen sich auch Anwendungen beispielsweise bezüglich ballistischem Schutz mit hohem Keramikgehalt reali- sieren.
Beispielsweise können entsprechende Bauteile auch verwendet werden für radartransparente Strukturen, für Thermoschutzsysteme oder auch für An- wendungen im Bereich von Energiespeichersystemen wie beispielsweise für Einhausungen für Latentwärmespeicher.
Grundsätzlich lässt sich auch ein hergestellter Grünkörper insbesondere in Form eines CFK-Körpers auf vorteilhafte Weise für bestimmte Anwendungen einsetzen.
Bezugszeichenliste Bremsscheibe
Öffnung
Tragkörper
Erste Reibschicht
Zweite Reibschicht
Kohlenstofffasern/amorpher Kohlenstoff Siliciumcarbid
Silicium
Einzelfasern

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Grünkörpers, insbesondere als Vorkörper für ein keramisches Bauteil, bei dem unter Verwendung mindestens einer Lage eines X/Y-Vlieses ein Grünkörper hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die min- destens eine Lage an X/Y-Vlies an einem Träger positioniert wird und der Grünkörper aus einer Kombination der mindestens einen Lage an
X/Y-Vlies und dem Träger hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das X/Y-Vlies einen Faseranteil in Z-Richtung von höchstens 7 Volumen-% und insbesondere von höchstens 3 Volumen-% und insbesondere von höchstens 1 Volumen-% aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass Fasern im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene von mindestens 1 mm und insbesondere von mindestens 5 mm auf- weisen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass Fasern im X/Y-Vlies eine Faserlänge in einer X/Y-Ebene von höchstens 100 mm und insbesondere von höchstens 40 mm auf- weisen.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass Fasern des X/Y-Vlies aus mindestens einem der folgenden Materialien sind : Aluminiumoxid, Carbon, Siliciumcarbid, Aramid, Glas.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies durch ein Nass- vliesverfahren hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Kohlenstoffanteil und/oder Carbid-Anteil in einem Bauteil, welches aus dem Grünkörper durch Keramisierung hergestellt wird, in einem Bereich ausgehend von der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies über einen oder mehrere Parameter der Durchführung des Nassvliesverfahrens eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Parameter umfassen : ein Faserauflösungsgrad bei der Nassvlies- herstellung, Dispergierfähigkeit von Fasern, Strömungsgeschwindigkeit eines Faser-Wasser-Gemisches, Siebbandgeschwindigkeit, flächen- bezogene Masse eines Vliesstoffes, Steifigkeit von Fasern, Faserlänge.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faservolumengehalt in dem Grünkörper für die mindestens eine Lage an X/Y-Vlies bei mindestens 20 Volumen% und insbesondere min- destens 30 Volumen% und insbesondere bei mindestens 40 Volumen-% liegt, insbesondere bei der Verwendung von Carbon-Fasern.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Träger faserverstärkt ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Grünkörper mittels eines Kohlenstoffprecursors und insbesondere eines Phenolharzes oder Epoxyharzes hergestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Grünkörper in einem Warm pressverfahren, Auto- klavverfahren oder Infiltrationsverfahren hergestellt wird.
14. Bauteil, welches nach dem Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Bauteils, bei dem ein Grün- körper mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 her- gestellt wird, an dem Grünkörper eine Pyrolyse durchgeführt wird, und an einem resultierenden offenporösen Körper eine Keramisierung durch- geführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kera- misierung durch Infiltrierung des offenporösen Körpers und insbesondere offenporösen Kohlenstoffkörpers mit flüssigem Carbidbildner durch- geführt wird, wobei der Carbidbildner insbesondere Silicium ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faservolumengehalt in dem keramischen Bauteil in einem Bereich, der mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies hergestellt wurde, bei mindestens 20 Volumen-% liegt, insbesondere bei der Verwendung von Carbonfasern.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen Lage an X/Y-Vlies mindestens eine Reibschicht auf einem Tragkörper hergestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die min- destens eine Reibschicht einen Carbid-Anteil von mindestens
60 Volumen-% und insbesondere mindestens 70 Volumen-% aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper einen Carbid-Anteil im Bereich zwischen 15 Volumen-% und 65 Volumen-% aufweist.
21. Bauteil, welches mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20 hergestellt ist.
22. Bauteil nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen Tragkörper und mindestens eine Reibschicht, wobei die mindestens eine Reibschicht mittels mindestens einer Lage an X/Y-Vlies hergestellt ist.
23. Bauteil nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Carbidanteil in der mindestens einen Reibschicht mindestens 60 Volumen-% und ins- besondere mindestens 70 Volumen-% beträgt, und insbesondere dass ein Carbid-Anteil im Tragkörper im Bereich zwischen 15 Volumen-% und 65 Volumen-% liegt.
24. Bauteil nach einem der Ansprüche 21 bis 23, gekennzeichnet durch einen gradierten Aufbau.
* * *
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