NL9500455A - Werkwijze voor het vervaardigen van een composietmateriaal. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het vervaardigen van een composietmateriaal.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een composietmateriaal, in het bijzonder een ceramiek of dergelijke bevattend composietmateriaal, alsmede op een composietmateriaal.

Het gebruik van ceramiek in toepassingen waar gebruikelijk metalen werden toegepast neemt recent sterk toe. Redenen daarvoor zijn bijvoorbeeld verschillende duidelijk verbeterde materiaaleigenschappen, zoals slijtage-bestendigheid, hardheid, corrosiebestendigheid, elasticiteits-modulus, maatvastheid, chemische bestendigheid en hittebestendigheid. Eén van de belangrijke nadelen van toepassing van ceramische materialen is echter dat deze relatief bros zijn. Verder zijn deze slecht tegen thermische schokken bestand. Bovendien zijn goede ceramische composieten relatief duur. Daardoor worden de mogelijke toepassingsgebieden van ceramische composieten beperkt.

Ten einde deze nadelen te vermijden is een aantal voorstellen gedaan voor de vervaardiging van dergelijke composieten met verbeterde eigenschappen.

De Europese octrooiaanvrage 0 378 500 beschrijft een werkwijze voor het vervaardigen van een met een metaal geïnfiltreerd composietmateriaal dat reactieproducten van het metaal met boor en/of koolstof omvat. Daartoe wordt uit een boor-donormateriaal en een koolstof-donormateriaal een zelfdragend tussenproduct gevormd met een relatief hoge porositeit, waarbij verbindingen tussen de materiaaldeeltjes tot stand worden gebracht, bijvoorbeeld tijdens sinteren van het tussenproduct. Vervolgens wordt het tussenproduct in contact gebracht met een gesmolten moeder-metaal, op een wijze en gedurende een tijd geschikt om reactieve infiltratie te verkrijgen. Daarbij wordt de ruimte die tussen de onderling verbonden deeltjes bestaat gevuld met het metaal en wordt het geheel gedurende een geschikte tijd op een geschikte temperatuur gehouden, zodanig dat ten minste chemische verbindingen ontstaan tussen boor en metaal, koolstof en metaal en boor, en/of koolstof en metaal. Als gevolg van de reactieve infiltratie ontstaat een composietmateriaal met onderling verbonden deeltjes met residueel metaal daartussen.

Bij deze werkwijze worden verbindingen tussen de verschillende deeltjes tot stand gebracht, mede voorafgaand aan de infiltratie. Daardoor ontstaat een basisproduct met een relatief grote dichtheid en relatief grove deeltjes, waarbij het product geen volledig open poreus netwerk verkrijgt. Eventueel in het product aanwezige gesloten porositeit wordt niet verwijderd en derhalve tijdens de infiltratie niet gevuld met metaal. De deeltjes worden niet geheel door het metaal omgeven, waardoor geen geheel continue matrix wordt verkregen waarin de deeltjes zijn ingebed. Bovendien veranderen de eigenschappen van de uitgangsmaterialen ten gevolge van de chemische reacties aanzienlijk.

Het Amerikaanse octrooischrift 4 879 262 beschrijft een werkwijze voor het vervaardigen van composieten, en in het bijzonder boor-houdende composieten met behulp van ontbrandingssynthese van borideverbindingen en composieten. Daartoe wordt een geschikt mengsel van ten minste een eerste, B4C rijke component en een tweede, B4C/TÏB2 rijke component samengesteld en zodanig verwarmd dat een maximale opname van het relatief lichte B4C in het relatief zware B4C/TiB2 wordt verkregen, waarna in het mengsel een zichzelf onderhoudende ontbranding teweeg wordt gebracht, zodanig dat verdichting van de matrix optreedt als gevolg van de chemische reactie. De verdichting is daarbij niet maximaal, waardoor een poreuze structuur overblijft. Vervolgens wordt het verkregen poreuze composiet geïnfiltreerd met vloeibaar metaal, bijvoorbeeld aluminium. Hierbij ontstaat een composiet met een relatief hoge dichtheid. Op deze wijze kunnen overigens ook andere composieten worden verkregen, mits daarin een zichzelf in stand houdend ontbrandingsfront kan worden opgewekt.

Deze werkwijze kan slechts worden toegepast bij specifieke combinaties van uitgangsmaterialen, waarbij bovendien voorafgaand aan de ontbranding reeds verhit dient te worden ten einde een goede verdichting te verkrijgen. Verder wordt een relatief grove verdeling van de deeltjes verkregen, terwijl de deeltjes veelvuldig tegen elkaar zullen liggen. Aanwezige, al dan niet tijdens reactie ontstane, gesloten porositeit wordt bij deze bekende werkwijze niet verhinderd, verminderd of weggenomen. Er ontstaat geen volledig open poreus netwerk, waardoor de deeltjes niet volledig door het metaal kunnen worden omgeven. Bovendien veranderen als gevolg van optredende chemische reacties de eigenschappen van de uitgangsmaterialen.

De Europese octrooiaanvrage 0 207 371 beschrijft een werkwijze voor het vervaardigen van composieten waarbij poeders dynamisch worden verdicht tot een zeer hoge relatieve dichtheid. De door een explosieve stof en/of slagplaat opgewekte schok dient daarbij zodanig hoog te zijn dat exothermisch sinteren van de poeders optreedt. Daarbij ontstaan chemische bindingen en eventueel plastische verbindingen tussen de poederdeeltjes, waardoor een gesloten netwerk wordt verkregen van bijvoorbeeld metalen, oxiden en dergelijke en een nagenoeg volledige dichtheid.

Bij deze werkwijze dient een zeer sterke schok te worden opgewekt, zodanig dat de uitgangspoeders een exotherme chemische reactie aangaan. Daardoor verandert de samenstelling, en daarmee de chemische en mechanische eigenschappen, van het mengsel. Bovendien wordt een continu netwerk van onderling vast met elkaar verbonden ceramiekdeeltjes verkregen die derhalve niet zijn ingebed in een ander materiaal dat een continue matrix vormt. Daardoor heeft het verkregen materiaal geen optimale weerstand tegen bijvoorbeeld thermische schokken en is het onvoldoende taai. Bovendien kunnen slechts uitgangspoeders worden toegepast die de gewenste exothermische reacties kunnen aangaan met elkaar.

De uitvinding beoogt een werkwijze van het in de aanhef beschreven type, waarbij een relatief bros, poedervormig materiaal, bij voorkeur ceramische deeltjes, in het composiet in hoofdzaak, althans nagenoeg geheel, worden ingebed in een matrix van een tweede materiaal dat door infiltratie wordt ingevoerd in een door het relatief brosse materiaal gevormd product met een volledig open poreus netwerk. Daartoe wordt de werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt door de stappen: dynamisch verdichten van een hoeveelheid korrel- of poedervormig relatief bros materiaal of een mengsel van één of meer van dergelijke materialen; waarbij - het materiaal of mengsel van materialen zodanig wordt verdicht dat een continu poreus product wordt verkregen; - en infiltreren daarvan met een tweede materiaal waarbi j na infiltratie de brosse materiaaldeeltjes zijn ingebed in een continu netwerk van het tweede materiaal.

In deze beschrijving wordt onder "dynamisch verdichten", ook wel "explosief verdichten" of "schok-verdichten" genoemd, verstaan: het verdichten van een materiaal onder aanwending van schokgolven. Voor een overzicht wordt verwezen naar R. Prümmer, Ber. Dt. Keram. Ges. 5H, p. 75-81, (1973) .

Door het brosse materiaal volgens de uitvinding dynamisch te verdichten wordt een relatief sterk verdicht product verkregen dat een geheel open poreuze structuur heeft. Dat wil zeggen dat de deeltjes in een dichte stapeling liggen waarbij de deeltjes onderling geen vaste verbindingen vormen. Vervolgens kan het poreuze netwerk door infiltratie worden gevuld met een tweede materiaal, bijvoorbeeld vloeibaar metaal of dergelijk materiaal. Bij voorkeur wordt capillaire infiltratie toegepast. Doordat het gevormde product een open poreus, continu netwerk heeft kunnen de deeltjes geheel worden omstroomd met metaal. Aldus wordt een continue matrix van het tweede materiaal verkregen waarin de brosse deeltjes volledig zijn ingebed, waarmee de gewenste eigenschappen worden verkregen.

In een voorkeursuitvoering wordt de werkwijze volgens de uitvinding gekenmerkt doordat het brosse materiaal voorafgaand aan het dynamisch verdichten wordt voorverdicht. Dit voorverdichten kan op verschillende wijzen gebeuren, bijvoorbeeld door persen van de uitgangspoeders, door toepassing van triltechnieken, door slibverdichten en dergelijke of door combinaties van verschillende technieken. In voorkomende gevallen kan reeds het in een vorm storten van het brosse materiaal voor een geschikte voorverdichting zorgen.

Tijdens de dynamische verdichting leveren met name de druk en de pulsduur, die in het voorverdichte product optreden, te weinig energie voor het doen vormen van bindingen tussen de afzonderlijke poederdeeltjes. Wel wordt een hoge poederdichtheid verkregen van bijvoorbeeld 80 tot 90% van de theoretisch maximaal haalbare dichtheid (TMD). Wanneer in deze beschrijving de term "dichtheid" wordt gebruikt wordt de dichtheid betrokken op de TMD bedoeld, tenzij anders is aangegeven. Deze hoge dichtheid wordt verkregen hoewel het (ceramische) uitgangsmateriaal bros is. Bij de dynamische verdichting treden, als gevolg van de schokgolfdoorgang zeer grote spanningen op bij de raakpunten van de verschillende deeltjes. Daardoor zal een groot gedeelte van de deeltjes, en bij voorkeur nagenoeg alle deeltjes, breken. De aldus gevormde deel-deeltjes zullen volgens de uitvinding dichter bij elkaar komen te liggen zodat de dichtheid toeneemt. Bovendien worden eventuele gesloten poriën door het breken en inscheuren van de deeltjes geopend. Aldus ontstaat een althans nagenoeg volledig open poreus netwerk van zeer fijn verdeelde kanalen. Immers, als gevolg van de grote spanningsconcentratie rond gesloten poriën zullen juist de daaraan grenzende deeltjes als eerste breken. Tijdens het dynamisch verdichten wordt derhalve uit poeders met relatief grote deeltjes een poeder verkregen met een hoge dichtheid, bestaande uit zeer fijne, onregelmatig gevormde poederdeeltjes met daartussen een netwerk van onregelmatig gevormde, wijd vertakte en continue kanaaltjes.

De porositeit is in hoofdzaak geheel open.

Door infiltratie wordt het gehele netwerk van kanaaltjes gevuld met een tweede materiaal. Bij voorkeur is dit tweede materiaal ten opzichte van het brosse materiaal relatief taai. Als voorbeeld wordt een metaal zoals aluminium genoemd. Als gevolg van het breken van de deeltjes tijdens het dynamisch verdichten verkrijgen de relatief brosse (materiaal)deeltjes een zeer groot totaaloppervlak dat in aanraking komt met het tweede materiaal. Aangezien de kanaaltjes zich in hoofdzaak volledig vullen met het tweede materiaal kunnen de deeltjes niet uit elkaar bewegen zonder daarbij krachten over te brengen op het verbindende tweede, relatief taaie materiaal. Daardoor verkrijgt het composiet een taaiheid die de taaiheid van het verbindende materiaal benadert. Bovendien zorgt het verbindende, geïnfiltreerde materiaal, in het bijzonder bij gebruik van metalen, voor een goede warmtegeleidbaarheid, waardoor het optreden van hoge spanningsconcentraties in het composietmateriaal tijdens extreme opwarming en afkoeling wordt verhinderd. Daardoor worden thermoscheuren, zeker op macroschaal, voorkomen. Dit betekent dat het verkregen composietmateriaal taai is en een hoge thermoschok-bestendigheid heeft.

Bij verhitting van het composietmateriaal tot boven de smelttemperatuur van het geïnfiltreerde materiaal kan dit deels uit de kanaaltjes treden en op het verhitte oppervlak van het composietmateriaal druppels vormen. Bij verhitting tot boven de kooktemperatuur zal het daarop een gasvormig kussen vormen dat verdere verhitting van het oppervlak door geleiding zal verhinderen. Daardoor wordt het smelten van de relatief brosse (materiaal)deeltjes zelf tegengegaan.

Aangezien het geïnfiltreerde materiaal zich in relatief nauwe, sterk kronkelende kanaaltjes bevindt en deze geheel vult wordt het ook in vloeibare toestand grotendeels in de kanaaltjes vastgehouden als gevolg van onder andere capillaire werking. Als gevolg van de grote oppervlak/inhoud-verhouding van de brosse materiaaldeeltjes zelf wordt door het geïnfiltreerde materiaal een sterke, taaie verbinding gevormd tussen de poederdeeltjes. Het aldus verkregen composiet heeft daardoor een hoge treksterkte.

Indien als tweede materiaal een ander materiaal wordt gebruikt dat bijvoorbeeld een met het brosse materiaal vergelijkbare taaiheid heeft, zoals een ander ceramisch materiaal, of een kunststof zoals een mono- of oligomeer die na infiltratie wordt omgezet in een (co)polymeer, dan wordt een composiet verkregen met andere, gunstige eigenschappen, bijvoorbeeld extreme slagvastheid bij een laag gewicht en hoge dichtheid. De polymerisatie kan daarbij bij voorkeur van buiten af worden geïnitieerd, bijvoorbeeld door licht of hitte. Zo kunnen onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding naar wens allerlei composieten worden gevormd met verschillende eigenschappen.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van werkwijzen volgens de uitvinding zijn beschreven in de conclusies 3-10 en in de beschrijving bij de figuren.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een composiet materiaal, omvattende ceramische en/of relatief brosse metaal-deeltjes, ingebed in een continue matrix van een tweede materiaal, verkrijgbaar volgens een werkwijze van de uitvinding en een product, vervaardigd uit een dergelijk composietmateriaal.

Het composietmateriaal onderscheidt zich in haar microstructuur van bekende composieten, door het aanwezig zijn van een groot aantal brosse breukvlakken, die van elkaar gescheiden worden door nauwe kanalen, tezamen vormend een fijnmazig netwerk van nauwe kanaaltjes, met een gemiddelde diameter van typisch een paar honderd nanometer. Het volume-percentage ceramiek of ander bros materiaal ligt daarbij tussen de 95 en 50 en bij voorkeur tussen de 90 en 70.

Ter verduidelijking van de uitvinding zal een aantal uitvoeringsvoorbeelden van de werkwijze en het product volgens de uitvinding, onder verwijzing naar de tekening, worden beschreven. Daarin toont: fig. 1 een doorsnede-aanzicht van een eerste uit-voeringsvoorbeeld van een inrichting voor dynamisch verdichten voor toepassing bij een werkwijze volgens de uitvinding; fig. 2 een doorsnede-aanzicht van de inrichting volgens fig. 1 na detonatie, tijdens dynamische verdichting; fig. 3A schematisch het poedervormige materiaal voor dynamische verdichting; fig. 3B schematisch het poedervormige materiaal na dynamische verdichting maar voor infiltratie; fig. 3C schematisch het poedervormige materiaal na dynamische verdichting en infiltratie; fig. 4 een doorsnede-aanzicht van een tweede uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting voor dynamisch verdichten voor toepassing bij een werkwijze volgens de uitvinding; fig. 5 tot 12 doorsnede-aanzichten van via een werkwijze volgens de uitvinding vervaardigde composieten en uitgangsproducten daarvoor.

In fig. 1 is een inrichting getoond voor het dynamisch verdichten van poeders. Deze inrichting omvat een buitenbuis 1 en een concentrisch daarin opgestelde binnenbuis 2. De binnenbuis 2 is gevuld met het te verdichten poeder 3, bijvoorbeeld boorcarbide of titaandiboride. De poederdeeltjes zijn relatief bros ten opzichte van het materiaal van de binnenbuis 2, die bijvoorbeeld uit aluminium of staal is vervaardigd. Op de keuze voor de verschillende materialen wordt nog nader teruggekomen .

De binnenbuis 2 is aan de onderzijde afgesloten door een onderste stop 4 en aan de bovenzijde door een bovenste stop 5. De binnenbuis 2 is gevuld door eerst de onderste stop 4 aan te brengen en vervolgens laag voor laag door bijvoorbeeld trillen en aanstampen het poeder 3 in een voorverdichte vorm in de binnenbuis 2 te brengen. De voor-verdichting kan bijvoorbeeld tussen de 50 en 70% TMD liggen, maar kan ook groter of kleiner zijn, al naar gelang de gekozen materialen en de gewenste eigenschappen. Na volledige vulling van de binnenbuis met het voorverdichte poeder 3 wordt de bovenste stop 5 op zijn plaats aangebracht en wordt de binnenbuis 2 op de door een bodemstop 6 gevormde bodem van de buitenbuis 1 geplaatst. De buitenbuis 1 heeft een grotere hoogte dan de binnenbuis 2.

Rond de binnenbuis 2 wordt binnen de buitenbuis 1 een hoeveelheid explosief materiaal 7 (geschikte explosieve materialen zijn aan de deskundige bekend, bijvoorbeeld explosieve stoffen op basis van 81,2% ammoniumnitraat (AN), 10% TNT en 8,8% Al (AMPA 2, een melange vervaardigd bij TNO-PML) en Triamite 80% AN, 19,8% TNT en 0,2% Al) aangebracht, voldoende om de gehele binnenbuis 2 te omgeven, uitgezonderd de onderzijde. Dus ook boven de bovenste stop 5 bevindt zich een laag explosief materiaal 7. Na volledige vulling van de buitenbuis 1 wordt deze afgesloten met een deksel 8 waarin detonatiemiddelen 9 zijn opgenomen voor het explosieve materiaal 7. Het deksel 8 wordt goed vastgezet op de buitenbuis 1.

Wanneer de detonatiemiddelen 9 worden bekrachtigd en het explosieve materiaal 7 tot ontploffing wordt gebracht wordt binnen de buitenbuis 1 een detonatiegolf tot stand gebracht, die zich van boven naar beneden voortplant en daarbij in de binnenbuis 2 en het poeder 3 schokgolven genereert, die zich naar binnen voortplanten als gevolg waarvan de binnenbuis 2 en het poeder 3 worden samengedrukt en het poeder aldus wordt verdicht. In fig. 2 is deze situatie voor het bovenste deel van de binnenbuis 2 reeds bereikt. De buitenbuis 1 is in de in fig. 2 getoonde uitvoeringsvorm tijdens de dynamische verdichting naar buiten toe weggebogen, maar bij uitvoering in een ander materiaal en/of een andere vorm kan deze ook heel blijven. De binnenbuis 2 kan eventueel tijdens het dynamisch verdichten verloren gaan of daarna mechanisch of anderszins worden verwijderd, doch blijft in een voorkeursuitvoeringsvorm rond het poeder behouden voor gebruik tijdens de aansluitende infiltratiestap.

Doordat het schokgolffront, de omhullende van de naar binnen lopende schokgolven, ook wel aangeduid met de schokgolf zich in hoofdzaak in radiële richting in de binnenbuis 2 en de daarin opgenomen hoeveelheid poeder 3 voortplant blijft de energie die aan elk deeltje wordt toegevoerd ongeveer even groot. Immers, het verlies aan energie bij het doordringen in het poeder wordt in hoofdzaak gecompenseerd door het verminderen van het doorsnede-oppervlak naar mate het golffront dichter bij het midden van de binnenbuis 1 komt. De energie per volume poeder blijft daardoor ongeveer gelijk over de gehele doorsnede van de binnenbuis 2 c.q. het poeder 3, waardoor een althans nagenoeg uniforme verdichting kan worden verkregen.

De parameters van de door de explosie of anderszins op te wekken schokgolf, zoals de pulsduur en pulshoogte, en de op te wekken druk worden, afhankelijk van ten minste de samenstelling en aard van het te verdichten poeder, de gewenste verdichting en de productgeometrie, gekozen, waarbij ten minste aan een aantal voorwaarden voldaan dient te worden:

Het poeder of mengsel van poeders bestaat ten minste gedeeltelijk uit relatief brosse deeltjes die los tegen elkaar liggen, waarbij de deeltjes bij voorkeur niet sferisch zijn; - Tussen de deeltjes moet een geheel open poreus netwerk gevormd worden of behouden blijven; - Tijdens de dynamische verdichting worden de deeltjes dichter op elkaar gedrukt, zonder dat daarbij verbindingen worden gevormd tussen de afzonderlijke deeltjes, noch in chemische, noch in fysische zin;

Althans een aantal van de brosse deeltjes scheurt en/of breekt in kleinere deeltjes, waarbij eventuele gesloten porositeit wordt weggenomen en waarbij een fijn verdeeld stelsel van zeer dunne kanaaltjes wordt gevormd die te zamen een continu open poreus netwerk vormen.

Ter illustratie, bij poeders waarbij voor de vorming van vaste verbindingen drukken van bijvoorbeeld enige tientallen GPa noodzakelijk zijn, wordt bij een werkwijze volgens de uitvinding een druk in de orde van grootte van bijvoorbeeld enige GPa toegepast. Een geschikte detonatiedruk ligt bij harde ceramische poeders, zoals siliciumcarbide, boorcarbide en titaandiboride tussen de 2 en 4 GPa. Voor bijvoorbeeld een buisdiameter 2, met een diameter van 15 tot 30 mm is een geschikte laagdikte van de explosieve stof, een maat voor de pulsduur, 0,5 tot 2 maal de buisdiameter 2.

In de binnenbuis 2 kan of kunnen voorafgaand of tijdens het daarin aanbrengen van het poeder 3 één of meer kernen worden aangebracht waar omheen het poeder wordt verdicht. De kernen kunnen zowel massief als hol worden uitgevoerd en kunnen verschillende samenstellingen hebben.

In fig. 3A is schematisch het poeder 3 weergegeven voor dynamische verdichting, eventueel na voorverdichting, en in fig. 3B is schematisch het poeder 3 weergegeven na dynamische verdichting. Duidelijk zichtbaar zijn de in fig. 3B met 11 weergegeven microscheuringen c.q. breukvlakken die in de deeltjes 10 zijn opgetreden als gevolg van de dynamische verdichting en het tussen de deeltjes 10 verzamelde, door de dynamische verdichting ontstane gruis 11a. Tussen de deeltjes 10 is daardoor een geheel open poreus netwerk van kanaaltjes 12 gevormd. Tussen en rondom het ontstane gruis 11a is eveneens een netwerk van kanaaltjes 12a gevormd.

Na afloop van het dynamisch verdichten van het poeder 3 in de binnenbuis 2 wordt deze uit de buitenbuis 1 of de overblijfselen daarvan genomen en in het geheel of in delen in een niet getoonde oven of dergelijke gelegd, waarin de binnenbuis 2 met het poeder gedurende een bepaalde tijd wordt verhit, bij voorkeur onder een schermgas, tot boven de smelt-temperatuur van het materiaal van de binnenbuis 2 en/of de kern. Daardoor wordt het materiaal 14 van de binnenbuis 2 en/of de kern vloeibaar en zal dit, als gevolg van vloeigedrag en capillaire werking in het open poreuse netwerk van kanaaltjes 12 tussen de deeltjes 10 en van de kanaaltjes 12a rondom het gruis 11a stromen, waardoor de deeltjes 10 en het gruis 11a geheel worden ingebed in een matrix 13 van het materiaal van de binnenbuis 2 en/of de kern, zoals getoond in fig. 3C.

Het geheel open poreuse netwerk 12 en 12a wordt geheel gevuld met het materiaal 14 van de binnenbuis 2 en/of de kern, waarbij een zeer groot contactvlak ontstaat tussen de deeltjes 10 en het genoemde vullende materiaal 14 aangezien de deeltjes 10 zeer klein zijn geworden en bros zijn gebroken. De deeltjes kunnen bij belasting van het gevormde materiaal niet uit elkaar bewegen zonder dat daarbij door de matrix van het vullende materiaal 14 ten minste trek- en drukkrachten worden opgenomen, zelfs indien het vullende materiaal 14 door verhitting tijdens gebruik van het composiet gedeeltelijk of geheel vloeibaar wordt. Immers, de deeltjes worden dan door de capillaire werking en de adhesiekrachten die optreden door het vullende materiaal 14 vastgehouden. Anderzijds wordt het vullende materiaal 14 ook in vloeibare vorm grotendeels in de kanaaltjes 12 vastgehouden als gevolg van de genoemde adhesiekrachten en de capillaire werking. Als gevolg hiervan is het composietmateriaal taaier en sterker dan bekende composieten die uit deeltjes zijn gevormd met vergelijkbare grootten als de origineel in de poeders aanwezige, ongebroken deeltjes 10.

Indien in het poeder 3 voorafgaand aan het dynamisch verdichten een kern is opgenomen kan deze voorafgaand aan het infiltreren eventueel worden verwijderd, maar deze kern kan tevens worden gebruikt als smeltkern voor de levering van althans een deel van het te infiltreren materiaal 14. Bij gebruik van een plastic smeltkern verdwijnt deze na passeren van de schokgolf als gevolg van een ontleding - er dient dan wel een voorziening bijvoorbeeld in de stoppen te worden gemaakt voor het kunnen ontsnappen van het daarbij gevormde gas. Daardoor kunnen bijvoorbeeld gedeeltelijk holle voorwerpen zoals pijpstukken worden vervaardigd die vanuit de holte zijn geïnfiltreerd, waarbij vanaf de buitenomtrek eveneens een infiltratiemateriaal kan worden toegevoerd, dat al dan niet het zelfde is als het materiaal van de kern. Door bijvoorbeeld gebruik te maken van een aluminium kern en een roestvast stalen binnenbuis 2 zal, bij een geschikte infiltratietemperatuur, de aluminium kern smelten en voor aluminiuminfiltratie zorgen van binnen uit, terwijl de roestvast stalen mantel onaangetast blijft. Deze kan dan eventueel na de infiltratie worden weggenomen.

De infiltratie van het netwerk 12 en 12a met een vullend materiaal 14 kan op vele verschillende wijzen worden doorgevoerd, waarbij steeds verschillende eigenschappen kunnen worden verkregen. Zo kan de beschreven capillaire infiltratie worden toegepast of bijvoorbeeld gasinfiltratie of reactieve infiltratie. Voorts kan het vullende materiaal een in hoofdzaak inert, relatief taai materiaal zijn, of juist een sterk met het ceramiek reagerend materiaal dat bijvoorbeeld voor een matrix zorgt die een met de brosheid van het ceramische materiaal overeenkomstige brosheid heeft.

In het voorgaande is besproken dat het infiltrerende materiaal 14 afkomstig is van de binnenbuis 2 of een in het poeder 3 opgenomen kern. Het is echter ook mogelijk het infiltrerende materiaal op andere wijze toe te voeren, bijvoorbeeld door op of rond het verdichte poeder 3 opgestelde blokjes of dergelijke of door direct gesmolten materiaal toe te voeren. Daarbij kan extra gasdruk worden aangebracht om de infiltratie sneller te doen verlopen of mogelijk te maken bij onvoldoende bevochtiging van het vullende materiaal. Bovendien kan voor bijvoorbeeld reactieve infiltratie een gasvormig materiaal worden toegevoerd. Ook kan vullend materiaal worden geïnfiltreerd, dat in het netwerk met een aangeboden gas reageert, waarbij in situ verbindingen tussen het gas en het vullende materiaal worden gevormd.

In het algemeen kan de werkwijze volgens de uitvinding worden toegepast voor ieder relatief bros poedermateriaal en combinatie van poedermaterialen, bijvoorbeeld anorganische materialen zoals: ceramische materialen, zoals brosse oxiden, carbiden, nitriden, boriden, telluriden en siliciden, diamant, grafiet, (ceramische) glazen en hydroxyapatiet; intermetallische verbindingen, zoals titaanaluminiden, Ti-Al-Nb en Al-Li legeringen en metallische glazen, welke verbindingen vaak zogenaamde RSP-poeders (rapid solidified powders), die door snel afschrikken uit de smeltfase hun vaak unieke microkristallijne microdendrietische of amorfe structuur behouden hebben en zich in een metastabiele fase bevinden; en brosse metalen, zoals W, Mo en Be.

Typische vulmaterialen die daarbij kunnen worden gebruikt zijn bijvoorbeeld metalen zoals: Ag, Cu, Sn en Zn,

Al, Zr, Ti, Si al dan niet in zuivere vorm, dan wel met toevoegingen om de infiltratie sneller te doen verlopen, zoals Mg en Si bij Al, Cr en Ti bij Cu, intermetallische verbindingen zoals Ti-Al verbindingen, orgametaalverbindingen en (ceramische) glazen. Bovendien kunnen nog additieven, bijvoorbeeld zogenaamde fillers, worden toegepast, al dan niet ceramisch deeltjes die in het uitgangspoeder worden opgenomen teneinde bijzondere eigenschappen te verkrijgen zoals stops voor scheurvorming. Daarbij kunnen bij het poedermateriaal nog zogenaamde "fillers" worden gemengd, waaronder wordt verstaan versterkingen bijvoorbeeld in de vorm van draden, vezels, desgewenst in geweven vorm, whiskers en plaatjes, die het composietmateriaal nog sterker of taaier kunnen maken.

Whiskers zijn kleine vezels, meestal éénkristallijn, met een diameter van een paar honderdsten micrometer tot een paar micrometer en een lengte van honderden micrometer. Zij bezitten daarmee goede mechanische eigenschappen, maar worden vaak een gevaar voor de gezondheid geacht. Plaatjes kunnen ze vervangen. Éénkristallijne plaatjes hebben typisch een dikte van één tot tien micrometer en een breedte van 10 tot 1000 micrometer.

Voorbeelden van materialen voor draden zijn: W, met of zonder toevoegingen van SiC of B4C, staal.

Voorbeelden van vezelmaterialen: C, SiC, S13N4, B, combinaties van AI2O3, B2O3 en S1O2 of metaalvezels zoals

Fecralloy (Fe-Cr-Al-Si legering).

Zij kunnen ook in stukjes gehakt worden gebruikt (chopped fibers).

Voorbeelden van whiskersmaterialen zijn:

SiC, AI2O3, S13N4 en boorcarbide, Ni.

Voorbeelden van materialen voor plaatjes: SiC en B4C,

ZrB2.

Voorts kan als vullend materiaal bijvoorbeeld kunststof worden toegepast, bijvoorbeeld een mono- of oligomeer of een mengsel daarvan, welke men na opname in het netwerk laat polymeriseren. Daardoor wordt een bijzonder sterk en licht materiaal verkregen dat bijvoorbeeld bijzonder geschikt is voor bepantsering.

Typische ceramische producten, die bij een werkwijze volgens de uitvinding kunnen worden verkregen kunnen worden onderscheiden naar hun infiltratiemethode: - capillaire infiltratie waarbij nagenoeg geen chemische reacties tussen het relatief brosse materiaal en het vulmateriaal optreden: voorbeelden zijn (bij een geschikt temperatuur-traject): B4C - Al, T1B2-AI, SiC-Si, TiB2~Fe, diamant-Cu.

- reactieve infiltratie

TiB2~Fe, B4C - Ti, AI2O3 - CaO.Al203 en B4C - Al

HfB2~SiC -Al (Al is het vulmateriaal).

Hierbij is het infiltratie-temperatuurtraject bij het B4C - Al een hogere dan in het voorgaande geval, wat tot uiting komt in het vormen van aluminium-boriden, carbiden en boorcarbiden-verbindingen, die de mechanische eigenschappen, zoals hardheid kunnen verbeteren.

Bij reactieve infiltratie kunnen door keuze van temperatuur en/of toevoegingen aan het vulmateriaal de mechanische en corrosieve eigenschappen van het composietmateriaal verder worden ingesteld, een voorbeeld is het toevoegen van Mo, Cr, Ni en Co aan het Fe.

- infiltratie en oxidatie, nitridatie, in situ

Hierbij ontstaan tijdens het infiltreren reacties tussen metaal en de aangeboden gasfase, waardoor het metaal voor een groot in te stellen gedeelte tijdens infiltreren wordt omgezet in een reactieproduct. Een bekend voorbeeld is het zogenaamde Lanxide-proces.

Voorbeelden van producten, die hiermee kunnen worden gevormd zijn:

SiC- AI2O3 - Al composieten (Al is hier het vulmateriaal en AI2O3 het reactieproduct).

ZrC-ZrN -Zr verbindingen (Zr is hier het vulmateriaal en ZrN het reactieproduct, stikstof het gas).

Door toevoegingen aan het vulmateriaal, bijvoorbeeld Ni aan het Al, kan een Ni-aluminium verbinding (gedeeltelijk) de plaats innemen van het resterende Al, waardoor de erosieve en corrosieve eigenschappen van het composietmateriaal verder kunnen worden verbeterd.

- gasinfiltratie CVI (Chemical Vapour Infiltration)

Hierbij infiltreert een reactief gas de poriën en vormt een laag daarin. Een voorbeeld is het vormen van SiC uit mengsels van silaan en H2. Voorbeelden zijn: composieten van B4C met C of SiC via gasinfiltratie.

- Kunststof vullingen

Door pyrolyse van bijvoorbeeld Si-houdende organo-metaal polymeren zijn de poriën op te vullen met ceramische materialen zoals SiC en SÏ3N4.

Het genoemde voorbeeld van een oligomeer, dat men na opname in het netwerk laat polymeriseren tot een polymeer is: styreen.

Deze voorbeelden zijn niet uitputtend bedoeld er. dienen alleen om de mogelijkheden die de werkwijze biedt te illustreren.

In fig. 4 is een alternatieve uitvoeringsvorm gegeven van een inrichting voor het doorvoeren van de dynamische verdichting, waarbij met behulp van een zogenaamde slag- of flyerplaat 20 of dergelijk middel een schokgolf in het in een vorm aangebracht poeder 3 wordt teweeggebracht ten einde tot de gewenste verdichting te komen. Met deze inrichting wordt een nagenoeg vlak schokgolffront gegenereerd doch daarmee kunnen slechts relatief vlakke delen worden vervaardigd. Bij het door het poeder 3 dringen van de schokgolf gaat namelijk veel energie verloren. Daardoor neemt de verdichting af met de afstand tot het contactvlak tussen het poeder 3 en de slagplaat 20. Voorts kan het verdichte product op de eerder beschreven wijzen verder worden verwerkt tot het gewenste composietmateriaal.

Een volgens de werkwijze verkregen composietmateriaal is bijvoorbeeld bijzonder geschikt als kathode in aluminium reductiecellen zoals gebruikt in de aluminium-verwerkende industrie, bijvoorbeeld in de vorm van met aluminium geïnfiltreerd titaanboride. Voorts is een werkwijze volgens de uitvinding bijzonder geschikt voor het vervaardigen van producten die tijdens gebruik worden blootgesteld aan hoge thermische schokken zoals uitlaatstukken voor (raket)motoren, bijvoorbeeld met aluminium geïnfiltreerd boorcarbide of titaandiboride, waarbij tijdens het dynamisch verdichten een smeltkern in de binnenbuis 2 is opgesteld die na infiltratie een doorlaat vrijlaat.

Aanvraagster heeft onder toepassing van de werkwijze volgens de uitvinding materialen ontwikkeld voor gebruik als straalpijpinzetstuk voor raketmotoren.

Twee van de volgens de uitvinding verkregen cermets (ceramiek-metaal composieten) bestaan uit met aluminium geïnfiltreerde buizen van schokverdicht boriumcarbide (BORCAL) en titaandiboride (TIBAL).

Beide kunnen worden beschouwd als een aluminium matrix (10-20 vol%) met een zeer hoge fraktie (f) ceramische deeltjes. De fysische eigenschappen van de cermets zoals hardheid en dichtheid worden voornamelijk door het ceramiek bepaald, terwijl bijvoorbeeld warmte- en elektrische geleiding in hoofdzaak door de aluminium matrix worden geregeerd.

Zonder aan een theorie te willen worden gebonden is dit laatste te verklaren door het grote verschil in geleidingsvermogen van het metaal ten opzichte van het ceramiek.

Als de geleiding van de matrix (km) veel groter is dan die van de gedisperseerde fase (kd) geldt voor de geleiding van een composiet (kc) :

Hierin kan voor k zowel het elektrisch geleidings-vermogen als de warmtegeleidingscoëfficiënt worden genomen.

Daar f in dit geval circa 0.85 bedraagt, kan, daar de cermet als een gedisperseerd ceramiek in een metalen matrix kan worden beschouwd, voor de geleiding van de composiet dus worden verwacht:

Aan de eis km » k^ is voor beide geleidingstypen ongeveer voldaan. De geleiding van aluminium is uitzonderlijk hoog zodat met het hierboven beschouwde model de cermets goede geleidingseigenschappen worden toebedeeld, slechts één orde van grootte lager dan die van aluminium. Hierbij passen twee kanttekeningen.

De slechte elektrische geleiding van het boorcarbide in combinatie met de grote tortuositeit van het composietmateriaal maakt dat de elektrische geleiding van het BORCAL, twee ordes lager ligt dan die van het aluminium. Daarentegen is de warmtegeleiding van het titaandiboride maar vier keer zo klein als van het aluminium en deze blijkt beter te beschrijven met een parallel geleidingsmodel, dat een geleiding van ongeveer 0.5 maal die van het aluminium voorspelt.

Zelfs indien de poederdeeltjes als perfecte bollen (diameter d) worden beschouwd (kleinst mogelijke opper-vlakte/volume verhouding) is het totale oppervlak dat de deeltjes van een poeder per massa-eenheid beslaat (het specifiek oppervlak A), nog erg groot:

De uitgangspoeders, bijvoorbeeld trimodale mengsels, hebben een gemiddelde deeltjesgrootte van 50 μπι, de dichtheid van boriumcarbide (B4C) en titaandiboride (TiB2) is resp. 2510 en 4500 kg/m3, zodat hun specifiek oppervlak 0,05 resp.

0,03 m2/g bedraagt. Het specifiek oppervlak van de schok-verdichte poeders is toegenomen ten opzichte van die van het uitgangsmateriaal door breuk van deeltjes tijdens het dynamisch verdichten (afname van d). Afhankelijk van de vorm, oppervlakteruwheid en eventueel aanwezige open porositeit van de deeltjes is het specifiek oppervlak in werkelijkheid overigens veel groter. Het TÏBÏ2 uitgangspoeder heeft bijvoorbeeld een BET specifiek oppervlak van 0.2 - 0.6 m2/g terwijl het TIBAL en BORCAL composietmateriaal met kwik-porosimetrie gemeten een specifiek oppervlak van resp. 0.8-1 en 1 - 2 m2/g oplevert.

In de hier beschouwde cermets is het porievolume volledig door aluminium opgevuld zodat het zeer grote specifieke deeltjesoppervlak nu in contact staat met het aluminium. De goede warmtegeleiding gecombineerd met het grote oppervlak waaraan warmte kan worden afgegeven leidt tot homogeen verlopende temperatuursveranderingen van het composiet. Er ontstaan geen grote temperatuursgradiënten zodat grote thermo-spanningen uitblijven en de cermets een goede thermoschok-bestendigheid hebben.

Bij homogene opwarming van de cermets leidt het verschil in uitzettingscoëfficient tussen aluminium en het ceramiek tot spanningen op microschaal. Deze worden gerelaxeerd door de vorming en het lopen van dislokaties (plastische deformatie) door het aluminium ter plaatse. Aluminium heeft een zeer lage vloeispanning die bovendien nog afneemt bij toenemende temperatuur.

Bij het bereiken van de smelttemperatuur van aluminium (Tm = 660 °C) wordt de temperatuurstoename bij opwarming tijdelijk onderbroken, doordat bij deze temperatuur de toegevoerde energie voor de fase-overgang (s-1) wordt gebruikt.

Het smelten van aluminium gaat met een volume-expansie gepaard en doordat het aluminium nu als vloeistof aanwezig is, kan het geen schuifspanningen opnemen en gaat het stromen. Het stroomt door de poriën van het verdichte poeder en stroomt aan het vrije oppervlak van de cermet uit, wat leidt tot het verschijnen van vele aluminium druppeltjes op het oppervlak.

Bij verdere temperatuurverhoging stroomt er (een fraktie) aluminium via de poriën naar buiten door de grotere uitzettingscoëfficiënt van het vloeibare aluminium ten opzichte van die van het ceramiek.

De composiet bereikt bij de L*-testen (hierbij wordt het materiaal aan de uitstroomgassen van een vaste raket-brandstof blootgesteld) in ieder geval plaatselijk het kookpunt van aluminium (Tj^ = 2500 °C) . Evenals bij het smeltpunt betreft het hier weer een fase-overgang (1-g) welke een temperatuursplateau veroorzaakt door de benodigde verdampings-energie.

Het gasvormig aluminium schermt het oppervlak van de cermet af van de omgeving (de hittebron ofwel de verbrandings-produkten uit de vaste brandstof) waardoor een isolerend "gaskussen" ontstaat dat een verdere opwarming door geleiding verhindert, te vergelijken met een ablatief thermisch protectie mechanisme (TPS) of een druppel op een gloeiende plaat. Zolang vloeibaar aluminium het oppervlak bereikt en daar verdampt kan dit een werkzaam TPS bieden en aldus het composiet beschermen tegen het nog verder oplopen van de temperatuur waarbij het ceramiek zou kunnen smelten. Overigens wordt bij deze hoge temperaturen de warmte voor een belangrijk deel via straling overgebracht.

De structurele integriteit die het nog niet geïnfiltreerde ceramiek na dynamisch verdichten bezit door mechanische interlocking van de deeltjes wordt ook bij de hoge temperatuursomstandigheden behouden. De aanwezigheid van een vloeistof in de poriën van het poeder zal deze structurele integriteit bevorderen. Het kan immers hydrostatische spanningen opnemen. Het wegstromen van vloeiaar aluminium wordt verhinderd door de viscositeit ervan, het grote raakvlak met het ceramiek, de nauwe kanalen en de grote tortuositeit van de poriestructuur, alsmede door de vorming van een dun oxidisch beschermlaagje, dat verder uitstromen verhindert. Hierdoor kan het vloeibare metaal bijdragen aan de mechanische eigenschappen van de cermets bij hoge temperatuur. Ten opzichte van niet geïnfiltreerd schokverdicht ceramiek vergroot het geïnfiltreerde vloeibare aluminium de treksterkte van de cermet. De trekspanning tracht de ceramiekkorrels qua onderlinge afstand te doen toenemen, hetgeen in het met aluminium geïnfiltreerde ceramiek een vacuüm zou creëren. De vloeistof verzet zich hiertegen en kan dus op trek worden belast.

Het vullende materiaal 14 vormt een continue matrix 13. Deze matrix 13 heeft bij een geschikt gekozen materiaal een betere thermische en electrische geleidbaarheid dan het ceramische materiaal. Als gevolg daarvan kan warmte die aan het materiaal wordt toegevoerd beter worden weggeleid dan bij puur ceramisch materiaal. Dit betekent dat ook om deze reden composietmateriaal volgens de uitvinding goed bestand is tegen thermoschokken en bovendien eenvoudig electrisch geleidend kan worden uitgevoerd. Overigens kan, door een geschikt gekozen vulmateriaal, ook een niet of nauwelijks geleidend composietmateriaal worden verkregen.

Ter illustratie van werkwijzen volgens de uitvinding is een aantal voorbeelden weergegeven, die niet limitatief dienen te worden opgevat doch slechts dienen voor een beter begrip.

VOORBEELD 1

Vorming van een staaf aluminium geïnfiltreerd boorcarbide.

Uitgegaan werd van een commercieel verkrijgbaar, hoekig boorcarbidepoeder (Tetrabor van ESK), met een gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 50 [lm. Fig. 5 toont een SEM (Scanning Electron Microscope) foto van het uitgangs-poeder.

Door laag voor laag te persen werd het poeder in een aluminium buis gebracht, waarbij een begindichtheid van 51% TMD werd bereikt. Het poeder werd in de buis opgesloten door middel van een aluminium stop bovenaan en een PVC stop van onderen.

De aluminium buis werd in het midden van een grotere plastic buis geplaatst. De ruimte tussen beide buizen werd gevuld met de springstof AMPA 2 (een mengsel van ammonium-nitraat, TNT en Al) met een detonatiesnelheid van 3,5 km/s en een detonatiedruk van 3,2 GPa. Door de springstof te detoneren met een detonator werd het poeder verdicht tot ongeveer 85% TMD. Na dit dynamisch verdichten werd de buis in schijfvormige stukken gezaagd. Deze werden in een elektrische ovenbuis geplaatst. Onder N2 schermgas werd de oven in één uur opgewarmd tot 925 °C en vervolgens 5 uur op deze temperatuur gehouden, waarna de oven werd uitgezet. Na capillaire infiltratie met aluminium (smeltpunt aluminium bedraagt 660° C) ontstond een volledig dicht materiaal, omvattende boorcarbidedeeltjes ingebed in een continue matrix van aluminium. In fig. 6 is een microscopische foto weergegeven van het verkregen composietmateriaal.

Hardheidsmeting: Vickers hardheid a. micro-indentatie: 10-30 GPa b. macro-indentatie: 12.5 ± 1.6 GPa

Na doorzagen, werd een deel van de verkregen staaf via een speciaal programma voor B4C gelapt (Beuhler Dialog methode nr. 10.10). Hierdoor ontstond een zeer vlak preparaat dat geschikt is voor microscopisch onderzoek. Fig. 7 en 8 laten meervoudig gebroken deeltjes zien (20-30 μιη) met veel gruis (< 1 μπι) . Alle deeltjes blijken geheel omringd door het geïnfiltreerde aluminium en de poriën zijn opgevuld (evenals nog aanwezige spiraalscheuren) zoals te zien is in fig. 9 en 10. Het aluminium bindt de deeltjes onderling.

Door meting van de energie van Röntgenstraling die vrijkomt door de beschieting met elektronen (Energy Dispersing of X-rays, EDX) zijn de elementen van het materiaal bepaald. Dit kan zowel globaal voor het gehele oppervlak van een apparaat als zeer plaatselijk (Electron Probe Micro Analysis, ΕΡΜΑ) worden uitgevoerd op een oppervlak van 1 μπι2. Dit laatste leverde voor het element tussen de brokstukken alleen aluminium op. Aangezien aluminium een veel grotere atoommassa heeft dan boor (B) en koolstof (C), is het contrast groot bij de beeldvorming van "back scattered" elektronen (BEI). Dit is goed te zien in fig. 11.

VOORBEELD 2

Vorming van een buis aluminium geïnfiltreerd titanium-diboride.

Drie titaniumdiboride uitgangspoeders van verschillende deeltjesgrootten (< 10 μιη, 10-45 μιη en > 45 μιη) werden gemengd met behulp van een turbulator.

Het aldus verkregen trimodale mengsel werd door afwisselend tappen (met behulp van een stampvolumeter) en persen in een roestvast stalen (RVS) buis gebracht, zodanig dat het poedermengsel een dichtheid van 60% TMD verkreeg. In het midden van de RVS-buis was vooraf een metalen kern geplaatst die de binnendiameter van de te produceren buis bepaalt. Door gebruik te maken van een aluminium kern (Tm = 660 °C) werd ervoor gezorgd dat de infiltratie vanaf de kern zou plaatsvinden. Het poeder in de buis werd opgesloten door middel van metalen stoppen aan weerszijden (bovenaan een aluminium stop, onderaan een ijzeren en een nikkelen stop). De RVS buis werd in het midden van een grotere plastic buis geplaatst. De overige ruimte werd opgevuld met een springstof. Door de springstof te detoneren onderging de buis een volume-contractie en werd het poeder verdicht. De dichtheid van het poeder was ten gevolge van de detonatie tot 81% van de titaniumdiboride dichtheid toegenomen.

Na het dynamisch verdichten werd de buis in een elektrische oven geplaatst waarvan de atmosfeer kon worden geregeld en de temperatuur een vooraf ingesteld programma volgde. Onder argonschermgas werd de oven in een uur tot 525 °C opgewarmd en twee uur op deze temperatuur gehouden. Hierna werd in één uur de temperatuur verder opgevoerd naar 925 °C. Op deze temperatuur bleef de oven gedurende 10 uur, waarna de oven werd uitgeschakeld. Hierdoor koelden de oven en de buis langzaam af. In de eerste temperatuurstap werden de spanningen die in het materiaal waren ontstaan als gevolg van het verdichtingsproces uitgegloeid. In de tweede temperatuurstap smolt het aluminium en infiltreerde het het geschokte titaniumdiboride door capillairwerking. Tijdens de afkoeling van de oven stolde het aluminium en bond de titaniumdiboride-korrels, waardoor een cermet (aluminium geïnfiltreerd titaniumdiboride) ontstond.

Meting van de breuksterkte: 525 ± 51 MPa

Hardheid 7,2 ± 0,2 GPa.

VOORBEELD 3 3. Vorming van een staaf aluminium geïnfiltreerd boriumcarbide.

Drie boriumcarbide uitgangspoeders van verschillende deeltjesgrootte (< 5 |im, 16-49 |im en 106-150 μπι) werden gemengd met behulp van een turbulator. Het zo verkregen trimodale mengsel werd door afwisselend tappen (met behulp van een stampvolumeter) en persen in een aluminium buis gebracht, zodanig dat het poeder hierdoor een dichtheid van 70% van de boriumcarbide dichtheid kreeg.

Het poeder in de buis werd opgesloten door middel van metalen stoppen aan weerszijden (bovenaan een aluminium stop, onderaan een ijzeren en een nikkelen stop). De aluminium buis werd in het midden van een grotere plastic buis geplaatst. De overige ruimte werd opgevuld met een springstof. Door de springstof te detoneren onderging de buis een volumecontractie en werd het poeder verdicht. De dichtheid van het poeder nam daarmee toe tot 83% van de boriumcarbide dichtheid.

Na het dynamisch verdichten werd de buis in een elektrische oven geplaatst waarvan de atmosfeer kon worden geregeld en de temperatuur een instelbaar verloop volgde.

Onder argonschermgas werd de oven in één uur tot 925 °C

opgewarmd en tien uur op deze temperatuur gehouden. Hierna werd de oven uitgeschakeld. Hierdoor koelden de oven en de buis langzaam af.

Bij een temperatuur van 925 °C werd het aluminium gesmolten en infiltreerde door de capillairwerking het geschokte boriumcarbide. Tijdens de afkoeling van de oven stolt het aluminium en bond de boriumcarbidekorrels, waardoor een cermet (aluminium geïnfiltreerd boriumcarbide) ontstond.

Meting van de breuksterkte (in het preparaat zitten nog spiraalscheuren): 317 ± 81 GPa VOORBEELD 4 4.Vorming van een buis aluminium geïnfiltreerd boriumcarbide .

Drie boriumcarbide uitgangspoeders van verschillende deeltjesgrootte (< 5 μπι, 16-49 μπι en 106-150 )lm) werden gemengd met behulp van een turbulator.

Het zo verkregen trimodale mengsel werd door afwisselend tappen (met behulp van een stampvolumeter) en persen in een RVS buis gebracht. Het poedermengsel kreeg hierdoor een dichtheid van 69% van de dichtheid van boriumcarbide. In het midden van de aluminium buis werd vooraf een aluminium kern geplaatst. De diameter van deze kern bepaalde de binnendiameter van de te produceren buis. Het poeder in de buis werd opgesloten door middel van metalen stoppen aan weerszijden (bovenaan een aluminium stop, onderaan een ijzeren en een nikkelen stop. De RVS buis werd in het midden van een grotere plastic buis geplaatst. De overige ruimte werd opgevuld met een springstof. Door de springstof te detoneren onderging de buis een volumecontractie en werd het poeder verdicht. De dichtheid van het poeder nam daarmee toe tot 81% van de dichtheid van boriumcarbide.

Na het dynamisch verdichten werd de buis in een elektrische oven geplaatst waarvan de atmosfeer kon worden geregeld en de temperatuur een instelbaar programma volgde. Onder argonschermgas werd de oven in één uur tot 925 °C opgewarmd en twaalf uur op deze temperatuur gehouden. Hierna werd de oven uitgeschakeld, waardoor de oven en de buis langzaam afkoelden. Bij een temperatuur van 925 °C was het aluminium (buis en kern) als vloeistof aanwezig en infiltreerde door capillairwerking het geschokte boriumcarbide. Tijdens de afkoeling van de oven stolde het aluminium en bond de boriumcarbidekorrels, waardoor een cermet (aluminium geïnfiltreerd boriumcarbide) ontstond.

De op deze wijze verkregen composieten vertonen een fijnmazig netwerk van nauwe kanaaltjes met een gemiddelde poriediameter van enkele honderden nanometer, zoals gemeten is met behulp van kwikporosimetrie, zoals getoond in figuur 19.

De uitvinding is geenszins beperkt tot de in de beschrijving, de figuren en de voorbeelden gegeven uitvoeringsvormen. Vele variaties zijn mogelijk. Zo kunnen allerlei andere ceramische materialen en niet ceramische materialen worden toegepast, al dan niet in combinatie, en kan een grote verscheidenheid aan materialen worden gebruikt voor infiltratie, waarbij naar wens een geschikte infiltratie-techniek kan worden gekozen. De dynamische verdichting kan, naast door explosie, worden geïnitieerd door bijvoorbeeld slagmiddelen, gaskanonnen, geluid en andere energiebronnen. Bovendien kan naar wens voor een geschikte voorverdichtings-methode worden gekozen. Met een werkwijze volgens de uitvinding kunnen allerlei producten worden verzameld, zowel gerede producten als halffabricaten zoals plaat, staf en profielmateriaal. Deze en vele andere aanpassingen worden geacht binnen het raam van de uitvinding te vallen.

Claims (12)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een composietmateriaal, omvattende de stappen: dynamisch verdichten van een korrel- of poedervormig bros materiaal of een mengsel van één of meer van dergelijke materialen; waarbij het materiaal of mengsel van materialen zodanig wordt verdicht dat een continu poreus product wordt verkregen; en infiltreren daarvan met een tweede materiaal waarbi j - na infiltratie de brosse materiaaldeeltjes zijn ingebed in een continu netwerk van het tweede materiaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het brosse materiaal voorafgaand aan het dynamisch verdichten wordt voorverdicht.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij het schok-verdichten een hoge verdichting bewerkt, zodat een bros materiaal met bij voorkeur een dichtheid van meer dan 70% van de theoretisch maximaal haalbare dichtheid wordt verkregen, zonder dat de brosse materiaaldeeltjes onderlinge materiaal-verbindingen aangaan.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij als bros materiaal ceramisch materiaal wordt toegepast.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij als tweede materiaal een ten opzichte van het brosse materiaal relatief taai materiaal wordt toegepast.

6. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij als tweede materiaal een metaal wordt toegepast.

7. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het brosse materiaal in een het tweede materiaal bevattende vorm wordt geplaatst alvorens dynamisch te verdichten, waarna door verhitting van het brosse materiaal in de vorm infiltratie optreedt.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij schokverdichting van het brosse materiaal in de vorm wordt bewerkstelligd door explosie van buiten de vorm opgesteld explosief materiaal, zodanig dat mede door vernauwing van de vorm rond het brosse materiaal de gewenste verdichting daarvan optreedt.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij als vorm een kokervormige huls wordt toegepast, waarbij een radiële verdichting wordt bewerkstelligd in de richting van de lengteas van de huls.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij in het brosse materiaal voorafgaand aan het dynamisch verdichten ten minste een kern wordt opgenomen.

11. Composietmateriaal, omvattende ceramische deeltjes, ingebed in een continue matrix van een tweede materiaal, verkrijgbaar volgens een werkwijze volgens één der voorgaande conclusies.

12. Product, vervaardigd uit een composiet materiaal volgens conclusie 11.