PL191605B1

PL191605B1 - Sposób wytwarzania ceramiki kompleksowej wzmocnionej włóknem i ceramika kompleksowa wzmocniona włóknem

Info

Publication number: PL191605B1
Application number: PL335684A
Authority: PL
Inventors: Gerd Dietrich; Tilmann Haug; Andreas Kienzle; Christian Schwarz; Heike Stöver; Karl Weisskopf; Rainer Gadow
Original assignee: Daimler Ag
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2006-06-30
Also published as: KR100346256B1; CA2284617C; US6261981B1; CN1251083A; KR20000076058A; DE59801312D1; EP0968150A1; JP2000512257A; BR9808032A; CA2284617A1; ES2162431T3; EP0968150B1; DE19711829C1; CZ333599A3; PL335684A1; JP3502395B2; WO1998042635A1; CN1155539C; RU2184715C2; CZ299421B6

Abstract

1. Sposób wytwarzania ceramiki kompleksowej wzmocnionej wlóknem w postaci wlókien zaro- odpornych, zwlaszcza C-wlókien lub SiC-wlókien, które zwiazane sa reakcyjnie z matryca na bazie Si, znamienny tym, ze kolejno: - impregnuje sie wiazki wlókien, zwlaszcza zlozone z C-wlókien lub SiC-wlókien, przy uzyciu organicznego srodka wiazacego stosowanego do pirolizy i utwardza sie srodek wiazacy, - wytwarza sie mieszanke zlozona z wiazek wlókien, wypelniaczy nieorganicznych i srodków wiazacych podlegajacych pirolizie, - tloczy sie mieszanke i uzyskuje sie pólwyrób, - pólwyrób poddaje sie pirolizie w prózni lub w gazie ochronnym. - nasyca sie korpus ksztaltowy roztopionym krzemem. PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania ceramiki kompleksowej wzmocnionej włóknem i ceramika kompleksowa wzmocniona włóknem w postaci włókien żaroodpornych, zwłaszcza C-włókien lub SiC-włókien, które związane są reakcyjnie z matrycą na bazie Si.

Tego rodzaju sposób i ceramika kompleksowa znane są z DE-A-4 438 455.

Węgiel wzmocniony włóknem węglowym (C-C, oznaczany także jako CFRC lub w praktyce języka niemieckiego jako CFC) należy do wprowadzonych od dawna z sukcesem ceramicznych materiałów kompleksowych.

Tworzone ostatnio układy hamulcowe o wysokiej sprawności na bazie tarcz hamulcowych typu CFC ze specjalnie wykonanymi wykładzinami ciernymi, stosowane w samochodach wyścigowych, wytwarzać można jednak tylko przy zastosowaniu wielu cykli impregnowania, względnie karbonizacji i grafityzacji tak, że jest to sposób wytwarzania bardzo czasochłonny, energochłonny i kosztowny, przy czym proces wytwarzania może trwać wiele tygodni lub miesięcy. Przy tym, tarcze hamulcowe CFC przy zastosowaniu ich w zwykłych, seryjnie wytwarzanych samochodach, pod wpływem wilgoci i warunków pracy przy niskich temperaturach wykazują całkowicie niewystarczające właściwości hamowania. Uwidacznia się to m.in. w wyraźnie niestałych wartościach ciernych w zależności od temperatury roboczej i pokrycia powierzchniowego, co bardzo utrudnia regulację w stosowanych dotychczas czterokanałowych układach ABS lub czyni ją całkowicie niemożliwą. Z tego względu próbuje się tworzyć ulepszone, wzmocnione włóknem ceramiczne materiały kompleksowe, które mogą być stosowane jako tarcze hamulcowe w układach hamowania o wysokiej sprawności w samochodach lub w pojazdach szynowych. Poza tym, tego rodzaju wzmocnione włóknem ceramiczne materiały kompleksowe znajdują liczne zastosowania innego rodzaju, np. jako materiały do budowy turbin lub łożysk ślizgowych.

Nasycany krzemem, związany reakcyjnie karborund (SiSiC) z udziałem masy krzemowej (wolny krzem) w ilości 2% do 15% znany jest już wprawdzie od lat 60i również wprowadzony jest na rynek w dziedzinie techniki cieplnej w wielu zastosowaniach. Jednakże również wytwarzanie materiałów SiSiC jest bardzo pracochłonne i drogie.

Ze wspomnianego DE-A-4 438 455 znany jest sposób wytwarzania wzmocnionej włóknem ceramiki kompleksowej C-SiC, przy którym tworzy się półwyrób z tkaniny nasyconej żywicą. Wadą takiego sposobu jest to, że przy pomocy takich niezbyt tanich produktów wstępnych skomplikowane struktury można wykonywać, względnie przedstawiać tylko z dużym nakładem pracy, kosztem powstawania wielu ścinków. Dlatego znany sposób nie nadaje się do seryjnego zastosowania przy produkcji wielkoseryjnej elementów konstrukcyjnych, takich jak tarcze hamulcowe. Laminowana struktura budowy prowadzi do silnej anizotropii tak wytworzonego elementu odnośnie różnych własności, co odbija się negatywnie, zwłaszcza na odprowadzaniu ciepła z tarczy hamulcowej. Poza tym, tego rodzaju tarcze hamulcowe przy ścieraniu mogą mieć skłonność do delaminacji, co jest szczególnie niebezpieczne.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie ulepszonej, wzmocnionej włóknem ceramiki kompleksowej o włóknach żaroodpornych oraz sposób jej wytwarzania, co umożliwia możliwie proste i tanie wytwarzanie wielkoseryjnych elementów konstrukcyjnych, takich jak np. tarcze hamulcowe, przy czym uzyskuje się ich lepsze własności.

Według wynalazku, sposób wytwarzania ceramiki kompleksowej wzmocnionej włóknem w postaci włókien żaroodpornych, zwłaszcza C-włókien lub SiC-włókien, które związane są reakcyjnie z matrycą na bazie Si, charakteryzuje się tym, że kolejno:

- impregnuje się wiązki włókien, zwłaszcza złożone z C-włókien lub SiC-włókien, przy użyciu organicznego środka wiążącego stosowanego do pirolizy i utwardza się środek wiążący,

- wytwarza się mieszankę złożoną z wiązek włókien, wypełniaczy nieorganicznych i środków wiążących podlegających pirolizie,

- tłoczy się mieszankę i uzyskuje się półwyrób,

- półwyrób poddaje się pirolizie w próżni lub w gazie ochronnym.

- nasyca się korpus kształtowy roztopionym krzemem.

Wiązki włókna wytwarza się tworząc wiązki z pojedynczych filamentów z dodatkiem klejonki, korzystnie wiązki włókna po impregnacji kondycjonuje się dodatkowo przez pokrycie powłoką w postaci nakrzemującej warstwy ochronnej nadającej się do pirolizy. Do impregnacji stosuje się materiał tworzący przy pirolizie węgiel w postaci substancji stałej, korzystnie pak.

PL 191 605 B1

Wiązki włókna kondycjonuje się bogatym w węgiel polimerem, korzystnie żywicą lub mieszanką żywic z grupy żywic fenolowych i tworzy się ochronną warstwę nakrzemowującą a jako nakrzemowującą warstwę ochronną stosuje się materiał, korzystnie z grupy polimerów krzemowo-organicznych, zwłaszcza polikarbosilan.

Korzystnie jako nakrzemowującą warstwę ochronną stosuje się związki Si-B-C-N, korzystnie z grupy polimerów krzemowo-borowo-organicznych, zwłaszcza poliborosilazany.

Impregnację przeprowadza się przy użyciu rozcieńczonego lub roztworzonego środka wiążącego, korzystnie w urządzeniu mieszającym lub mieszadle.

Stosuje się wiązki włókna składające się z 1000 do 14000 pojedynczych włókien o średniej średnicy około 5 do 10 mm, przy czym wiązki włókna o długości około 1 do 30 mm, korzystnie około 3 do 16 mm.

Do tworzenia mieszanki stosuje się około 20 do 50% obj. wiązek włókna, korzystnie około 30 do 40% obj. Dla wytworzenia półwyrobu, do mieszanki dodaje się wypełniacze zawierające węgiel, korzystnie sadze lub grafit. Do mieszanki dla wytworzenia półwyrobu lub do materiałów służących do impregnacji lub kondycjonowania wiązek włókien, domieszkowuje się wypełniacze w postaci krzemu, węglików, azotków lub borków metali niewrażliwych, korzystnie karborund, węglik tytanu lub borek tytanu, w postaci sproszkowanej.

Mieszankę przygotowuje się w ugniatarce mieszającej lub w mieszaczu dodając termicznie utwardzalne środki wiążące a następnie wytłacza się ją w formie i utwardza a półwyrób przed lub po pirolizie obrabia się mechanicznie do uzyskania pożądanego kształtu i następnie przeprowadza się nasycanie roztopionym krzemem.

Do mieszanki dodaje się środki wiążące, korzystnie polialkohol winylowy PVA lub metylocelulozę.

Ceramika kompleksowa wzmocniona włóknem w postaci włókien żaroodpornych, zwłaszcza C-włókien lub SiC-włókien, które związane są reakcyjnie z matrycą na bazie Si, według wynalazku charakteryzuje się, że w matrycę wtopione są wiązki krótkich włókien rozłożone losowo, przy czym wiązki składają się z filamentów w wiązkach zachowujących postać pojedynczych włókien a wiązki krótkich włókien przynajmniej na ich obszarze brzegowym otoczone są powłoką z węgla, który całkowicie lub częściowo wszedł w reakcję z materiałem matrycy.

Wiązki włókna składają się z 1000 do 14000 pojedynczych włókien o średniej średnicy około 5 do μm, przy czym wiązki włókna mają długość około 1 do 30 mm, korzystnie około 3 do 16 mm. Wiązki włókna stanowią około 20-50% objętości mieszanki, korzystnie około 30 do 40% obj.

Według wynalazku stwierdzono, że przez zastosowanie wiązek krótkich włókien do wzmocnienia materiału kompleksowego uzyskuje się znaczne uproszczenie jego wytwarzania, gdyż możliwe jest wstępne mieszanie różnych pojedynczych składników i wytłaczanie ich w półwyroby, które następnie tylko poddaje się pirolizie i potem nasyca roztopionym ośrodkiem. To znacznie upraszcza proces wytwarzania i nadaje się on do produkcji wielkoseryjnej.

Ponadto stwierdzono, że korzystne własności, takie jak zachowanie quasi- ciągliwe, które to własności uzyskuje się głównie przez wzmocnienie włóknem, w procesie wytwarzania można uzyskać zasadniczo za pomocą nasycania roztopionym krzemem, rzeczywiście tylko wtedy, gdy do wzmocnienia włóknem stosuje się wiązki włókien, które utrzymywane są za pomocą odpowiednich środków wiążących i chronione są przed agresywnym działaniem roztopionego krzemu. Uzyskuje się to według wynalazku przez impregnowanie wiązek włókien środkiem wiążącym nadającym się do pirolizy i poprzez utwardzenie następnie tego środka wiążącego. Za pomocą takiej impregnacji zapewnia się pewne powiązanie poszczególnych włókien w wiązce oraz na tyle wystarczającą mechaniczną stabilność wiązek włókien, aby przy późniejszym ich mieszaniu z pozostałymi składnikami dla wytworzenia półwyrobu, uniknąć w znacznym stopniu mechanicznego uszkodzenia wrażliwych pojedynczych filamentów.

W gotowej ceramice kompleksowej ochrona wiązek włókien przed agresywnym działaniem roztopionego krzemu polega na tym, że wiązki włókien przynajmniej na swych obszarach brzegowych otoczone są powłoką węglową, która całkowicie lub tylko częściowo weszła w reakcję z materiałem matrycy (to znaczy z krzemem lub ze związkami krzemu).

Tak więc, w stosunkowo prosty i tani sposób można wytworzyć ceramikę kompleksową wzmocnioną włóknem, która ma wyraźnie lepsze własności od znanych ceramik kompleksowych i nadaje się zwłaszcza do zastosowania jako element hamulców, względnie tarcza hamulcowa w wysokosprawnych układach hamowania w seryjnie wytwarzanych samochodach lub pojazdach szynowych.

PL 191 605 B1

Oczywiste jest, że pojęcie roztopiony krzem obejmuje nie tylko czysty roztopiony krzem, lecz także techniczne rodzaje roztopionego krzemu zawierające zwykłe zanieczyszczenia, względnie dodatki składników stopowych.

Do wzmocnienia włóknem korzystnie stosuje się włókna C-włókna lub ewentualnie również SiC-włókna, mimo że także zastosowanie innych żaroodpornych włókien na bazie Si/C/B/N omawianych już częściowo, w zasadzie jest możliwe i stosownie do własności stosowanych włókien prowadzi nawet do ewentualnych dalszych korzyści. Do szczególnie wartościowych produktów mogą prowadzić włókna z tlenków glinu.

W korzystnym wykonaniu wynalazku, wiązki włókna wytwarza się przez łączenie w wiązki pojedynczych filamentów przy dodaniu klejonki.

Tworzenie wiązek za pomocą klejonki dokonuje się z reguły u producenta wiązek włókien, bezpośrednio po wytworzeniu pojedynczych filamentów przez dysze przędzalnicze. Następnie, wiązki włókien oddziela się („geschoppt”) najczęściej natychmiast na żądaną długość.

W innym korzystnym wykonaniu wynalazku, wiązki włókien po impregnacji i utwardzeniu środka wiążącego kondycjonuje się dodatkowo ochronną warstwą krzemową nadającą się do pirolizy.

Za pomocą takiego dodatkowego pokrycia powłoką wiązek włókien w postaci warstwy ochronnej nadającej się do pirolizy uzyskuje się korzystną dodatkową otoczkę wiązek włókien na ich zewnętrznym ograniczeniu, wskutek czego z jednej strony zmniejsza się niebezpieczeństwo mechanicznego uszkodzenia wiązek włókien podczas procesu mieszania i wytłaczania przy wytwarzaniu półwyrobu, a ponadto zapewnione jest w znacznym stopniu utrzymanie poszczególnych filamentów w gotowym produkcie końcowym, przy czym chemiczne oddziaływanie ciekłego krzemu, które przy zastosowaniu C-włókien powoduje reakcję tworzenia się SiC, w znacznym stopniu powstrzymywane jest przez warstwę ochronną z węgla, ewentualnie ceramiki utworzoną podczas pirolizy tak, że ewentualnie tylko nieliczne pojedyncze filamenty w obszarach brzegowych wiązek włókna wchodzą jeszcze w reakcję z krzemem tworząc karborund.

W innym korzystnym wykonaniu wynalazku, wiązki włókna kondycjonuje się materiałem polimerowym bogatym w węgiel, tworzącym podczas pirolizy stały węgiel korzystnie impregnuje się żywicą lub mieszanką żywic z grupy żywic fenolowo - formaldehydowych. Wten sposób uzyskuje się warstwę ochronną krzemu o dużej skuteczności.

Według dalszej postaci wykonania wynalazku, impregnację przeprowadza się przy użyciu rozcieńczonego lub roztworzonego środka wiążącego, korzystnie w urządzeniu mieszającym tak, że po odparowaniu dyfuzyjnym lub po wysuszeniu tworzą się pręciki z włókien, które nie zbrylają się ze sobą, przy czym jednak więź włókien w poszczególnych wiązkach włókien pozostaje utrzymana.

Zabieg taki ma tę zaletę, że wiązki włókien w prosty sposób można przetworzyć w pręciki z włókien, które nie zbrylają się ze sobą tak, że sypkość pozostaje utrzymana, co jest ważne i co ma istotne znaczenie techniczne dla dalszego procesu mieszania.

W innym korzystnym wykonaniu wynalazku, do impregnacji stosuje się materiał, zwłaszcza pak lub termoplast, który przy pirolizie tworzy węgiel w postaci stałej substancji.

Zwłaszcza, przy kombinacji takiej impregnacji z następującym kondycjonowaniem za pomocą żywicy lub tym podobnych powstaje jeszcze lepsza ochrona ceramiki kompleksowej przed uszkodzeniami. W zasadzie jednak możliwe jest również przeprowadzenie najpierw impregnacji przy użyciu żywicy, a następnie kondycjonowanie z zastosowaniem paku.

Według innego przykładu wykonania wynalazku jako ochronną warstwę nakrzemowującą stosuje się materiał przy pirolizie tworzący karborund, korzystnie z grupy krzemoorganicznych polimerów, zwłaszcza polikarbosilan.

W ten sam sposób można uzyskać skuteczną ochronę wiązek włókien przed działaniem roztopionego krzemu podczas nasycania, gdyż utworzony w czasie pirolizy SiC zapobiega dalszej reakcji włókien z krzemem.

Według dalszej odmiany wynalazku jako nakrzemującą warstwę ochronną stosuje się ceramizujący się przy pirolizie materiał na bazie Si-B-C-N, korzystnie z grupy krzemowo-borowo-organicznych polimerów, zwłaszcza poliborosilazany, wskutek czego uzyskuje się również ulepszoną ochronę przed działaniem chemicznym roztopionego krzemu.

Według wynalazku stosuje się wiązki włókien składające się z 1000 do 14000 pojedynczych włókien o średniej średnicy wynoszącej 5 do 10 μm i o długości 1 do 30 mm, korzystnie 3 do 16 mm.

Tak więc można stosować znajdujące się w handlu rowingi (np. tak zwane wiązki 12K), co ułatwia tanie wytwarzanie.

PL 191 605 B1

W korzystnym wykonaniu wynalazku do wytwarzania mieszanki stosuje się ok. 20 do 50% objętościowych, korzystnie ok. 30 do 40% objętościowych, wiązek włókna.

Okazało się, że przy takim stosunku objętościowym można uzyskać znaczną optymalizację własności mechanicznych i termicznych.

Przy dalszym korzystnym wykonaniu wynalazku do mieszanki służącej do wytwarzania półwyrobu dodaje się wypełniacze zawierające węgiel, korzystnie sadze lub grafit.

Przez zastosowanie takich wypełniaczy zwiększa się zawartość półwyrobu przy jego wytwarzaniu, względnie przy przeprowadzanej następnie pirolizie, a także przyspiesza się pirolizę i zmniejsza się przy pirolizie zmiany objętości wytwarzanych elementów.

W dalszym korzystnym wykonaniu wynalazku, do mieszanki służącej do wytworzenia półwyrobu lub do materiałów stosowanych do impregnacji lub kondycjonowania wiązek włókna, domieszkowuje się wypełniacze w postaci krzemu, węglików, azotków lub borków metali niewrażliwych, korzystnie karborund, węglik tytanowy lub borek tytanowy, w postaci proszku.

Przez dodanie takich twardych wypełniaczy zwiększa się wytrzymałość na ścieranie takiej ceramiki kompleksowej.

Mieszankę z poszczególnych składników przygotowuje się w ugniatarce mieszającej lub w mieszaczu dodając termicznie utwardzalne środki wiążące a następnie mieszankę wytłacza się w formie i utwardza jako półwyrób.

Półwyrób przed lub po pirolizie poddaje się mechanicznej obróbce wykańczającej w celu uzyskania żądanego kształtu, zanim nastąpi nasycanie roztopionym krzemem.

W ten sposób można zmniejszyć wyraźnie nakład na pracę wykończeniową, gdyż półwyroby mają tylko niewielką odporność na ścieranie i dlatego nawet po pirolizie mogą być obrabiane z niewielkim nakładem pracy.

W dalszej korzystnej odmianie wykonania wynalazku, mieszanka, przez dobór tworzących ją materiałów i ich udziałów jest tak wytworzona, że korpus kształtowy utworzony z półwyrobu podczas pirolizy ma porowatość wynoszącą ok. 20 do 50%.

Ponieważ porowatość można łatwo dobierać przez wybór dodatków i ich ilość, więc można dobrać optymalny stosunek objętościowy pomiędzy nasycanym wytopem metalem i pozostałymi składnikami materiału kompleksowego oraz wiązkami włókien, wypełniaczami i prekursorami C tak, aby uzyskać optymalne własności mechaniczne i termiczne.

W dalszej korzystnej postaci wykonania wynalazku, korzystnie zamiast termoplastów lub tworzyw termoutwardzalnych, do mieszanki dodaje się środki wiążące, posiadające korzystną kinetykę pirolizy, takie jak polialkohol winylowy PVA (PAW) lub metylocelulozę, przez co ułatwia się kombinację pirolizy i nakrzemowania.

Przez przyspieszenie operacji pirolizy można ją połączyć z nasycaniem roztopionym ośrodkiem, co znacznie zwiększa ekonomikę procesu.

Oczywiste jest, że wymienione uprzednio i wyjaśnione jeszcze dalej cechy stosowane mogą być nie tylko w podanych kombinacjach, lecz również w innych kombinacjach nie wykraczając przy tym poza zakres wynalazku.

Dalsze cechy i zalety wynalazku wynikają z opisu korzystnych przykładów wykonania przedstawionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kolejność wykonywania (od strony lewej do prawej) wytłoczonego półwyrobu w postaci korpusu CFK oraz obrobionej wstępnie i końcowo tarczy hamulcowej z C/Si - SiC, fig. 2 - zdjęcie szlifu wykonane w mikroskopie optycznym przedstawiające matrycę wytworzonego korpusu kompleksowego po pirolizie i nasyceniu roztopionym, ciekłym krzemem, w 200-krotnym powiększeniu, fig. 3 - poprzeczny szlif poprzez uzyskane wiązki włókien, po nasyceniu wytopem, przy czym widoczne jest, że wiązki włókien przez podwójne otoczenie warstwą praktycznie pozostają utrzymane, a fig. 4 przedstawia zdjęcie z mikroskopu skaningowego powierzchni granicznej włókna i matrycy. Ze zdjęcia widoczne jest, że korpus kompleksowy za pomocą efektu włókna-pull-out ma własności quasi- ciągliwe.

Na fig. 1 przedstawiony jest pierwszy przykład wykonania tarczy hamulcowej, przy czym na lewo pokazany jest półfabrykat CFK o ustalonym kształcie wytworzony przez wytłaczanie przy zwiększonej temperaturze wynoszącej ok. 150°C, który następnie został przewiercony i poddany pirolizie (widok po środku), a po pirolizie został poddany obróbce wykańczającej (widok po prawej) i dopiero po tym nasycony został technicznym roztopionym krzemem.

Struktura uzyskana po nasyceniu ciekłym stopem, widoczna jest na fig. 2.

PL 191 605 B1

P r zyk ł a d 1

Wiązki C-włókien węglowych o długości 3 mm i nieokreślonej grubości wiązki, stanowiące 30-40% objętości mieszaniny za pomocą nasycania wiązek włókien roztworem paku zostały impregnowane i następnie wysuszone. Następnie, przeprowadzono kondycjonowanie za pomocą nasycania w roztworze żywicy fenolowej i kolejne suszenie. Tak pokryte warstwą włókna tworzą podstawę do wytwarzania masy prasowniczej, którą po dodaniu proszku węglowego i żywicy fenolowej poddaje się obróbce w ugniatarce mieszającej. Podczas ugniatania dodaje się stale mieszankę TiC i B4C w postaci proszku o średniej wielkości cząstek D₅₀ wynoszącej 3 mm, względnie D₅₀ 5,5 μm.

Do wytłaczania tak przygotowanej masy stosuje się matrycę do wyciskania zbliżoną do kształtu końcowego wytwarzanego elementu, w której masa w temperaturze co najmniej 150°C utwardzana jest w tarcze o ustalonym kształcie. Następnie przeprowadza się pirolizę przy ok. 800°C w piecu do pirolizy, przy zastosowaniu gazu ochronnego.

Ewentualna, kształtująca obróbka końcowa jest w tym stadium bardzo prosta i tania, gdyż można ją przeprowadzić znanymi sposobami, np. za pomocą toczenia (por. fig. 1).

Po tej obróbce wykańczającej, materiał w temperaturze powyżej temperatury topnienia Si, to znaczy w temperaturze ok. 1600°C poddaje się w próżni nasycaniu ciekłym roztopionym krzemem.

Następnie przeprowadza się chłodzenie do temperatury pokojowej.

Jak widać z widoku szlifu poprzez poszczególne wiązki włókien węglowych na fig. 3, wiązki włókien węglowych podczas całego procesu wytwarzania praktycznie zostały w całości utrzymane i przez podwójnie naniesione warstwy z żywicą fenolową i z pakiem, chronione są wystarczająco przed reaktywnym działaniem roztopionego krzemu.

Na zdjęciu z mikroskopu elektronowego, według fig. 4 widoczna jest powierzchnia graniczna pomiędzy włóknem i matrycą wskazującą, że wytworzony korpus kompleksowy ma własności quasiciągliwe wskutek efektu włókna-pull-out.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania ceramiki kompleksowej wzmocnionej włóknem w postaci włókien żaroodpornych, zwłaszcza C-włókien lub SiC-włókien, które związane są reakcyjnie z matrycą na bazie Si, znamienny tym, że kolejno:

- impregnuje się wiązki włókien, zwłaszcza złożone z C-włókien lub SiC-włókien, przy użyciu organicznego środka wiążącego stosowanego do pirolizy i utwardza się środek wiążący,

- wytwarza się mieszankę złożoną z wiązek włókien, wypełniaczy nieorganicznych i środków wiążących podlegających pirolizie,

- tłoczy się mieszankę i uzyskuje się półwyrób,

- półwyrób poddaje się pirolizie w próżni lub w gazie ochronnym.

- nasyca się korpus kształtowy roztopionym krzemem.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązki włókna wytwarza się tworząc wiązki z pojedynczych filamentów z dodatkiem klejonki.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wiązki włókna po impregnacji kondycjonuje się dodatkowo przez pokrycie powłoką w postaci nakrzemującej warstwy ochronnej nadającej się do pirolizy.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do impregnacji stosuje się materiał tworzący przy pirolizie węgiel w postaci substancji stałej, korzystnie pak.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązki włókna kondycjonuje się bogatym w węgiel polimerem, korzystnie żywicą lub mieszanką żywic z grupy żywic fenolowych i tworzy się ochronną warstwę nakrzemowującą.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako nakrzemowującą warstwę ochronną stosuje się materiał, korzystnie z grupy polimerów krzemowo-organicznych, zwłaszcza polikarbosilan.
7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako nakrzemowującą warstwę ochronną stosuje się związki Si-B-C-N, korzystnie z grupy polimerów krzemowo-borowo-organicznych, zwłaszcza poliborosilazany.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że impregnację przeprowadza się przy użyciu rozcieńczonego lub roztworzonego środka wiążącego, korzystnie w urządzeniu mieszającym lub mieszadle.

PL 191 605 B1
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wiązki włókna składające się z 1000 do 14000 pojedynczych włókien o średniej średnicy około 5 do 10 μm.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wiązki włókna o długości około 1do 30 mm, korzystnie około 3 do 16 mm.
11. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że do tworzenia mieszanki stosuje się około 20 do 50% obj. wiązek włókna, korzystnie około 30 do 40% obj.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla wytworzenia półwyrobu, do mieszanki dodaje się wypełniacze zawierające węgiel, korzystnie sadze lub grafit.
13. Sposób według zastrz.1, znamienny tym, że do mieszanki dla wytworzenia półwyrobu lub do materiałów służących do impregnacji lub kondycjonowania wiązek włókien, domieszkowuje się wypełniacze w postaci krzemu, węglików, azotków lub borków metali niewrażliwych, korzystnie karborund, węglik tytanu lub borek tytanu, w postaci sproszkowanej.
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszankę przygotowuje się w ugniatarce mieszającej lub w mieszaczu dodając termicznie utwardzalne środki wiążące a następnie wytłacza się ją w formie i utwardza.
15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że półwyrób przed lub po pirolizie obrabia się mechanicznie do uzyskania pożądanego kształtu i następnie przeprowadza się nasycanie roztopionym krzemem.
16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszanki dodaje się środki wiążące, korzystnie polialkohol winylowy PVA lub metylocelulozę.
17. Ceramika kompleksowa wzmocniona włóknem w postaci włókien żaroodpornych, zwłaszcza C-włókien lub SiC-włókien, które związane są reakcyjnie z matrycą na bazie Si, znamienna tym, że w matrycę wtopione są wiązki krótkich włókien rozłożone losowo, przy czym wiązki składają się z filamentów w wiązkach zachowujących postać pojedynczych włókien a wiązki krótkich włókien przynajmniej na ich obszarze brzegowym otoczone są powłoką z węgla, który całkowicie lub częściowo wszedł w reakcję z materiałem matrycy.
18. Ceramika według zastrz. 17, znamienna tym, że wiązki włókna składają się z 1000 do 14000 pojedynczych włókien o średniej średnicy około 5 do 10 μm.
19. Ceramika według zastrz.17, znamienna tym, że wiązki włókna mają długość około 1do 30 mm, korzystnie około 3 do 16 mm.
20. Ceramika według zastrz.17, znamienna tym, że wiązki włókna stanowią około 20-50% objętości mieszanki, korzystnie około 30 do 40% obj..