WO2000078693A2 - Utilization of a coating provided with fiber-reinforced ceramic material and methods for producing the same - Google Patents

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WO2000078693A2
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zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Fraunhofer-Gesellschaft
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Hirsch, Kurt
Kaiser, Mathias
Greiner, Axel
Bill, Joachim
Aldinger, Fritz
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Definitions

  • Carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic is characterized on the one hand by its high temperature resistance, where in the so-called rhombohedral-hexagonal high-temperature modification ( ⁇ -SiC) dissociates at about 2300 ° C.
  • silicon carbide ceramics have a high hardness (Mohs hardness «9.6) and consequently a high strength and a high density (D « 3.2 g / cm 3 ).
  • Ceramic heat shields for example for space reentry bodies, are often formed from several insulating tiles, which consist of a plate-shaped carrier and a layer of fiber-reinforced ceramic applied thereon and are applied to the reentry body to form a closed surface (DE 195 13 906).
  • the proportion of fibers coated in this way can be up to 55% by volume, based on the total volume of the fiber-reinforced ceramic (US Pat. No. 4,962,070).
  • the whiskers are coated with a thin, maximum 0.1 ⁇ m thick surface layer of a chemically more resistant material than the whisker material, on the other hand a 0.05 to 20 ⁇ m thick coating layer of the chemically more resistant material, in particular A1 2 0 3 , TiN or TiC, is applied to the ceramic sintered body.
  • AI is a method for producing high-temperature resistant reflectors, mirrors, antennas or the like, in particular for orbital use, can be removed, objects of this type having a surface-smoothing, reflective layer made of silicon or silicon carbide, carbon, silicon oxide, silicon nitride or from Gold, silver, nickel, copper or alloys thereof are applied by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or flame spraying.
  • the objects in turn have a support structure made of fiber-reinforced materials, such as carbon-fiber-reinforced carbon, carbon-fiber-reinforced silicon carbide, silicon carbide-fiber-reinforced silicon carbide or mixtures of such materials.
  • the coating of these objects which are generally used only once, is used exclusively to optimize the electromagnetic properties and is therefore referred to as a reflection layer. It is used in particular to achieve a high level of mirror component rigidity, whereby primarily large-area and three-dimensional mirror structures are to be achieved.
  • the object of the invention is to propose a new use for a coating of the type mentioned at the beginning. It is also directed to methods for producing such a coating.
  • this object is achieved when using a coating of the type mentioned at the outset in that the further layer serves as a wear protection layer to reduce the erosion on surfaces which are subjected to high thermal and / or oxidative loads.
  • the nitrides, oxides or oxynitrides of at least one wear protection layer contained in the ceramic protect the fiber-reinforced ceramic against oxidation and sublimation and thus against erosion and erosion by essentially protecting it from contact with oxygen or Nitrogen is preserved both in atomic and in particular in molecular form, on the other hand, by largely inhibiting oxidation of the ceramic with oxygen or nitrogen, which also releases heat of reaction, ensures lower thermal stress and thus higher thermal fatigue strength.
  • thermal stress begins, e.g. immediately when a spacecraft enters the earth's atmosphere or when the door of a high-temperature furnace is opened
  • nitrides, oxides and / or oxynitrides of at least one wear protection layer containing a chemical element contained in the ceramic or also consisting entirely of at least one of the substances mentioned ensures in particular at the beginning of the thermally oxidative stress.
  • the sublimation on the surface of the fiber-reinforced ceramic is largely prevented or at least reduced at the beginning of the stress, since the wear protection layer inhibits the exothermic oxidation from the beginning and therefore no additional heat of reaction is released.
  • the wear protection layer thus anticipates the formation of a self-protection layer typical of the ceramic base material.
  • the wear protection layer which can be reapplied to the fiber-reinforced ceramic to be protected, for example, before each thermal stress, considerably increases the service life of the ceramic in a simple and inexpensive manner.
  • the wear protection layer is e.g. also suitable for surfaces which are formed by a plurality of ceramic insulating tiles which form an essentially closed surface (DE 195 13 906).
  • the wear protection layer can thus be applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a PVD process (physical vapor deposition) known per se.
  • PVD process physical vapor deposition
  • the coating material can be vapor-deposited on the surface in a high vacuum, with the transition either from the solid to the liquid to the gaseous state or directly from the solid to the gaseous state by means of electrical resistance - Parking heaters, electron or laser bombardment, arc vaporization or the like. is heated.
  • sputtering is also possible, in which a solid target consisting of the respective coating material is atomized in a vacuum with high-energy ions, for example noble gas ions, in particular argon ions, with, for example, an ion source Noble gas plasma is used.
  • a target consisting of the respective coating material can also be bombarded with ion beams under vacuum, converted into the gaseous state and deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic.
  • the aforementioned PVD processes can also be combined, the wear protection layer being applied, for example by plasma-assisted vapor deposition.
  • the wear protection layer is applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • chemical reactions take place in the CVD process (gas phase separation).
  • the gas components generated at temperatures of about 200 to 2000 ° C by means of thermal, plasma, photon or laser activated gas phase deposition are mixed with an inert carrier gas, e.g. Argon, usually transferred to a reaction chamber in which the chemical reaction takes place.
  • an inert carrier gas e.g. Argon
  • Solid components are deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic.
  • the volatile reaction products are removed with the carrier gas.
  • the wear protection layer can also be applied by means of known thermal spray processes by means of jet, liquid, gas or electrical gas discharge, such as laser, melt bath, flame, detonation, high-speed, arc, plasma spraying or the like.
  • jet, liquid, gas or electrical gas discharge such as laser, melt bath, flame, detonation, high-speed, arc, plasma spraying or the like.
  • a plasma spraying process becomes.
  • a fixed target is created by applying a high-frequency electromagnetic field combined ionization of a gas, for example air, oxygen, nitrogen, hydrogen, noble gases etc., heated by means of a plasma torch and converted into the gas phase.
  • the target can consist, for example, of silicon nitride, oxynitride and / or oxide and can be converted physically into the gas phase and deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic.
  • the target can also consist of silicon and can be deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic by reaction with the ionized gas - in this case oxygen and / or nitrogen - as silicon nitride, oxynitride, and / or oxide.
  • the wear protection layer is applied by plasma polymerization and subsequent thermal treatment of the plasma polymer.
  • such solid or liquid mono-, di-, oligo- or polymers are preferably atomized by means of noble gases ionized by high-frequency energy, which have chemical elements contained in the fiber-reinforced ceramic forming the heat protection surface or cladding.
  • the ceramic consists in particular of silicon compounds, for example of silicon carbide, then organosilicon compounds, for example polysiloxanes, polymethylsiloxanes, hexamethyldisiloxane (HMDSO), nitrogen-containing borosiloxanes, silazanes or polysilazanes or the like. , used to generate the plasma.
  • the polymer layer is formed with the formation of nitrides, oxynitrides and / or oxides, ceramized in particular silicon nitrides, oxynitrides and / or oxides.
  • the thermal treatment is carried out in particular under reduced pressure and / or under an inert gas atmosphere, the polymer layer being split thermolytically or pyrolytically.
  • the thermal treatment it is preferred in a preferred embodiment that oxygen and / or nitrogen is added during the thermal treatment.
  • the wear protection layer is applied by infiltrating a polymer and / or prepolymer solution into the surface of the fiber-reinforced ceramic to be protected and then the polymer is thermally treated.
  • the ceramic of the heat protection surface is e.g. slowly immersed in the polymer solution (dip coating) and infiltrated with the solution by capillary action of its pores.
  • the layer thickness can be controlled via the immersion or extraction speed, the residence time in the solution and the viscosity of the solution. The viscosity is adjusted, for example, via the concentration of the polymer in the polymer solution, for example to infiltrate porous ceramics.
  • the above-mentioned organosilicon compounds are also suitable for prepolymers.
  • the thermal treatment is carried out in the manner described above.
  • the wear protection layer by infiltrating polymerizable alcoholates (alkoxides) containing functional groups of at least one chemical element contained in the ceramic into the surface of the fiber-reinforced ceramic to be protected, crosslinking the alcoholates to form polymers and subsequent thermal treatment of the polymers formed is applied to the fiber-reinforced ceramic.
  • polymerizable alcoholates alkoxides
  • alcoholates of at least one chemical element contained in the ceramic for example silicon alcoholates
  • the optionally organically modified alcoholates applied to the surface to be protected are converted into an inorganic network, for example by controlled hydrolysis and condensation of the alcoholates.
  • the alcoholates act as basic condensing agents.
  • cocondensation can be carried out with other metal alcoholates, for example titanium, zirconium, aluminum alcoholates etc., or with organic nitrogen compounds.
  • the polymerizable groups fixed to the organic network are then crosslinked, for example thermally or by high-frequency electromagnetic radiation, for example ultraviolet (UV).
  • the generally inorganic / organic copolymer obtained is converted by thermal treatment to form a stable wear protection layer composed of nitrides, oxynitrides and / or oxides of the chemical elements of the alcoholates used.
  • the thermal treatment is also carried out in the manner described above. The invention is explained in detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the diagrams. Show it:
  • Fig. 1 is a diagram of the time behavior of the
  • FIG. 2 shows a diagram of the course over time of the surface temperature of a carbon fiber-reinforced silicon carbide ceramic without wear protection layer (4) and with two different wear protection layers (5, 6)
  • Fig.l shows the erosion rate in mg / s of a heat shield made of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic without a wear protection layer at 1870 K (1) and at 1950 K (2) as a function of time.
  • a high erosion occurs on the heat shield due to the formation of an oxide layer on the ceramic surface and after about 30 minutes reaches an almost constant asymptotic equilibrium value (7) of about 0.16 mg / s.
  • FIG. 2 shows the surface temperature profile of a heat shield consisting of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic as a function of time with experimentally simulated space reentry conditions. posed.
  • the uncoated heat shield (4) has a high temperature rise to approximately 1800 ° C., which is caused, among other things, by the heat of reaction released during the surface oxidation of the ceramic.
  • the surface temperature drops to an almost constant asymptotic equilibrium value (8) of about 1600 to 1650 ° C.
  • an approximately 15 ⁇ m thick wear protection layer of the ceramic with SiC nitrides reduces the erosion rate which increased at the beginning of the thermal or oxidative stress to a value approximately corresponding to the equilibrium value (7). so that a low, essentially constant erosion rate is obtained over the entire time of the thermal-oxidative load.
  • the wear protection layer can be applied, for example, by infiltrating a polymer solution into the ceramic (dip coating) and subsequent thermal treatment of the polymer applied in this way to form the nitrides.
  • the surface temperature (FIG. 2) is reduced by approximately 250 ° C. by a wear protection layer on the ceramic surface (5, 6) at the beginning of the thermal or oxidative stress.
  • (5) shows the temperature curve on a ceramic surface with an approximately 15 ⁇ m thick wear protection layer made of silicon oxide applied by PVD or CVD processes
  • (6) shows the temperature curve on a ceramic surface with a dip coating with polymethylsiloxane and subsequent Thermolysis applied wear protection layer made of silicon oxide.
  • a heat shield made of carbon fiber-reinforced silicon carbide ceramic is provided with a wear protection layer in accordance with one of the following design variants, which ensures increased temperature resistance and reduced erosion of the ceramic.
  • a quartz target (Si0 2 ) is vacuumed using a
  • An Si0 2 wear protection layer with a layer thickness of about 10 to 100 ⁇ m forms on the ceramic in a short time.
  • SiO target is thermally evaporated in a vacuum.
  • a wear protection layer consisting of SiO x can be set to 1.5 ⁇ x ⁇ 2.
  • nitrogen and Sauer - -Stickstoffgemische material with a variable ratio or oxynitride composed of silicon nitride wear protection layer can be applied to the ceramic ⁇ the.
  • a silicon target is atomized by bombardment with argon ions in a vacuum.
  • wear protection layers of SiO x with 1.5 ⁇ x ⁇ 2 or of silicon nitride or oxynitride are obtained.
  • Volatile silicon compounds eg silanes
  • SiO x with 1.5 ⁇ x ⁇ 2, silicon nitride or oxynitride.
  • Volatile silicon compounds for example silanes or silicon-organic compounds, such as hexamethyldisiloxane (HMDSO) are converted into the gas phase in a vacuum by means of a plasma, for example an argon plasma, and by controlled addition of oxygen and / or nitrogen as SiO x with 1.5 ⁇ x ⁇ 2, silicon nitride or oxini- trid deposited on the ceramic.
  • a plasma for example an argon plasma
  • a heat shield consisting of liquid-phase-siliconized carbon fiber-reinforced carbon (C / C-SiC material) is desiliconized (freed from elemental silicon) and by infiltration with an organosilicon, preceramic polymer solution or mixtures of several such polymers in a solution and subsequent thermal treatment of the Coated polymer layer.
  • a polymer concentration in the solution of up to about 30% by mass is set.
  • Polymethylsiloxane is selected as the preceramic polymer and a solution of 30% by mass and 5% by mass of polymethylsiloxane in ethanol is prepared in each case.
  • the ceramic is first immersed in the 5% by mass ethanolic polymethylsiloxane solution by means of dip coating with immersion and extraction speeds of 2.7 cm / min in each case in order to obtain a crack-free wear protection layer.
  • the ceramic coated in this way is thermolyzed in a quartz deflection tube for one hour at about 800 ° C. to ceramize the polymer layer to form silicon oxide under an argon atmosphere.
  • the heating and cooling rate is about 1.8 K / min each.
  • the ceramic is used to reduce the porosity dipped several times into the 30% by mass ethanolic polymethylsiloxane solution and the polymer layer was again pyrolyzed in the manner described.
  • the course of the surface temperature of a ceramic coated in this way under experimentally simulated space travel re-entry conditions as a function of time is shown in curve (6) in FIG. 2.
  • a heat shield consisting of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic is infiltrated with organically modified silicon alcoholates (silicon alkoxides) containing polymerizable functional groups, hydrolysis and condensation of the silicon alcoholates to form an inorganic network and UV-initiated crosslinking of the polymerizable groups attached to the inorganic network with an inorganic / coated organic copolymer.
  • organically modified silicon alcoholates silicon alkoxides
  • the latter is ceramized according to Example 3 to form silicon oxide.

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Abstract

The invention relates to the utilization of a coating which is provided with fiber-reinforced ceramic material and which has an additional coating comprised of oxides and/or nitrides and/or of mixed compounds consisting of oxides and nitrides (oxynitrides) of at least one chemical element contained in the ceramic material, especially silicon and carbon. The additional layer serves as a wear protective layer for reducing the wear on surfaces which are subjected to high levels of thermal or oxidative stress, especially inner linings of ovens and oven doors, heat shields on missiles, or the like. By using such a wear protective layer, the wear and the erosion of the fiber-reinforced ceramic material is substantially reduced at the onset of a thermally oxidative stress which, for example, occurs when opening a hot oven door or when a space missile enters the earth atmosphere. The invention also relates to methods for producing such a coating.

Description

Verwendung einer Beschichtung mit faserverstärkter Keramik und Verfahren zu deren Herstellung Use of a fiber-reinforced ceramic coating and process for its manufacture
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Beschichtung mit f serverstärkter Keramik, die eine weitere Schicht aus Nitriden und/oder Oxiden und/oder Mischverbindungen aus Oxiden und Nitriden (Oxinitride) von wenigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element enthält.The invention relates to the use of a coating with ceramics with high strength, which contains a further layer of nitrides and / or oxides and / or mixed compounds of oxides and nitrides (oxynitrides) of at least one chemical element contained in the ceramic.
In vielen Bereichen müssen technische Bauteile an ihrer Oberfläche gegen hohe thermische Belastungen geschützt wer- den, z.B. in der Luft- und Raumfahrt bei Raumfahrt -Wiedereintrittskörpern, Hochgeschwindigkeitsflugkörpern, Hochtemperaturantriebssystemen für Raketen oder Überschalltrieb- werke, in der Brand- und Katastrophenschutztechnik, z.B. bei immobilen Objekten sowie bei mobilen Lösch-, Rettungs- und Räumfahrzeugen, oder im industriellen Bereich, z.B. für hochtemperaturfeste Öfen und Reaktoren. Der Hitzeschutz solcher Bauteile geschieht durch Verkleidungen bzw. Beschichtungen, wobei sich solche aus faserverstärkter Keramik besonderes bewährt haben. Letztere besteht üblicherwei- se aus mit Carbonfasern verstärkter Siliciumcarbid-Keramik oder aus Polymeren, insbesondere Polytetrafluorethen (US 40 16 322), die bei der Temperaturbelastung carbonisiert werden.In many areas, technical components on their surface must be protected against high thermal loads, e.g. in the aerospace industry for space reentry objects, high-speed missiles, high-temperature propulsion systems for rockets or supersonic engines, in fire and disaster control technology, e.g. with immobile objects as well as with mobile fire fighting, rescue and clearing vehicles, or in the industrial area, e.g. for high temperature resistant furnaces and reactors. Such components are protected from heat by cladding or coatings, and those made of fiber-reinforced ceramic have proven particularly useful. The latter usually consists of silicon carbide ceramic reinforced with carbon fibers or of polymers, in particular polytetrafluoroethylene (US Pat. No. 4,016,322), which are carbonized when exposed to temperature.
Carbonfaserverstärkte Siliciumcarbid- Keramik zeichnet sich einerseits durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit aus, wo- bei die sogenannte rhomboedrisch-hexagonale Hochtemperatur - modifikation (α-SiC) bei etwa 2300°C dissoziiert. Andererseits weisen Siliciumcarbid- Keramiken eine hohe Härte (Mohshärte « 9,6) und folglich eine hohe Festigkeit sowie eine hohe Dichte (D « 3,2 g/cm3) auf. Keramische Hitzeschilde, z.B. für Raumf hrt -Wiedereintrittskörper, sind häufig aus mehreren Isolierkacheln gebildet, die aus einem plattenförmigen Träger und einer auf diesem aufgebrachten Schicht aus faserverstärkter Keramik bestehen und unter Bildung einer geschlossenen Oberfläche auf den Wiedereintrittskörper aufgebracht sind (DE 195 13 906) .Carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic is characterized on the one hand by its high temperature resistance, where in the so-called rhombohedral-hexagonal high-temperature modification (α-SiC) dissociates at about 2300 ° C. On the other hand, silicon carbide ceramics have a high hardness (Mohs hardness «9.6) and consequently a high strength and a high density (D« 3.2 g / cm 3 ). Ceramic heat shields, for example for space reentry bodies, are often formed from several insulating tiles, which consist of a plate-shaped carrier and a layer of fiber-reinforced ceramic applied thereon and are applied to the reentry body to form a closed surface (DE 195 13 906).
Zur Verbesserung der Eigenschaften faserverstärkter Keramiken ist es bekannt, die Verstärkungsfasern, insbesondere Carbonfasern, mit Metalloxiden zu beschichten, wobei derTo improve the properties of fiber-reinforced ceramics, it is known to coat the reinforcing fibers, in particular carbon fibers, with metal oxides, the
Anteil derart beschichteter Fasern bis zu 55 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen der faserverstärkten Keramik betragen kann (US 49 62 070) .The proportion of fibers coated in this way can be up to 55% by volume, based on the total volume of the fiber-reinforced ceramic (US Pat. No. 4,962,070).
Weiterhin sind Hitzeschilde mit einem schichtweisen Aufbau von zwischen metallischen Folien angeordneten Keramik- schichten bekannt. Die US 4 925 134 beschreibt einen solchen Aufbau, wobei zwischen mehreren Metallfolien Keramik - fasern aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid angeordnet sind. Der US 4 877 689 ist eine Hitzeschutzoberfläche mit zwischen Nickel-, Chrom- und Aluminiumfolien angeordneten Keramikschichten aus Siliciumcarbid entnehmbar.Furthermore, heat shields with a layered structure of ceramic layers arranged between metallic foils are known. US 4 925 134 describes such a structure, wherein ceramic fibers made of aluminum oxide and silicon dioxide are arranged between several metal foils. US Pat. No. 4,877,689 shows a heat protection surface with ceramic layers of silicon carbide arranged between nickel, chromium and aluminum foils.
Bei hoher thermischer und oxidativer Belastung von faser- verstärkten Keramiken, wie sie beispielsweise beim Öffnen der Tür eines Hochtemperaturofens oder beim Eintritt von Raumflugkörpern in die Erdatmosphäre auftritt, neigen sol¬ che Hitzeschutzoberflächen zum Abbrand und somit zur Erosion, indem sie durch Oxidation und/oder Sublimation langsam abgetragen werden.With high thermal and oxidative loading of fiber-reinforced ceramics, such as occurs, for example, when the door of a high-temperature furnace is opened or when spacecraft enter the earth's atmosphere, such heat protection surfaces tend to burn up and thus erode by being oxidized and / or Sublimation slow be removed.
Die DE 37 83 520 T2 beschreibt einen mit Whiskern verstärkten keramischen Sinterkörper zum Einsatz in Motorteilen, Wärmetauschern, Schneidwerkzeugen, Kugellagern und als inerte Biomaterialien. Die keramische Matrix des Sinterkörpers weist als Hauptkomponente entweder ein keramisches Oxid oder ein Gemisch eines keramischen Oxids mit wenigstens einem Stoff aus der Gruppe harte Carbide, Nitride und Boride auf. Die keramischen Whisker bestehen ebenfalls aus Nitriden, Carbiden und/oder Oxiden, wie TiN, TiC, B4C, A1203, Zr02, SiC, Si3N . Zur Erhöhung der Verschleiß-, Korrosionsbeständigkeit und insbesondere der Bruchzähigkeit solcher mit Whiskern verstärkten Verbundwerkstoffen ist einer- seits vorgesehen, daß die Whisker mit einer dünnen, höchsten 0,1 μm dicken Oberflächenschicht eines chemisch resi- stenteren Materials als das Whiskermaterial beschichtet sind, andererseits auf den keramischen Sinterkörper eine 0,05 bis 20 μm dicke Überzugsschicht des chemisch resisten- teren Materials, insbesondere A1203, TiN oder TiC, aufgebracht ist.DE 37 83 520 T2 describes a ceramic sintered body reinforced with whiskers for use in engine parts, heat exchangers, cutting tools, ball bearings and as inert biomaterials. The main component of the ceramic matrix of the sintered body is either a ceramic oxide or a mixture of a ceramic oxide with at least one substance from the group consisting of hard carbides, nitrides and borides. The ceramic whiskers also consist of nitrides, carbides and / or oxides, such as TiN, TiC, B 4 C, A1 2 0 3 , Zr0 2 , SiC, Si 3 N. In order to increase the wear resistance, corrosion resistance and in particular the fracture toughness of such composite materials reinforced with whiskers, it is provided on the one hand that the whiskers are coated with a thin, maximum 0.1 μm thick surface layer of a chemically more resistant material than the whisker material, on the other hand a 0.05 to 20 μm thick coating layer of the chemically more resistant material, in particular A1 2 0 3 , TiN or TiC, is applied to the ceramic sintered body.
Der DE 43 29 551 AI ist ein Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständigen Reflektoren, Spiegeln, Antennen oder dergleichen, insbesondere für den Orbitaleinsatz, entnehmbar, wobei auf Objekte dieser Art eine oberflächenglättende, reflektierende Schicht aus Silicium oder Siliciumcarbid, Kohlenstoff, Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder aus Gold, Silber, Nickel, Kupfer oder Legierungen derselben durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) , chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Flammspritzen aufgebracht wird. Die Objekte ihrerseits weisen eine Trägerstruktur aus faserverstärkten Materialien, wie Kohlenstoff - faserverstärkter Kohlenstoff, Kohlenstoff - faserverstärktes Silici- umearbid, Siliciumcarbid- faserverstärktes Siliciumcarbid oder Mischungen solcher Materialien auf. Die Beschichtung dieser in der Regel nur einmal verwendeten Objekte dient ausschließlich zur Optimierung der elektromagnetischen Eigenschaften und wird daher als Reflexionsschicht bezeich- net. Sie dient insbesondere zum Erzielen einer hohen Spiegel -Bauteilsteifigkeit, wobei vornehmlich großflächige und dreidimensionale Spiegelstrukturen erreicht werden sollen.DE 43 29 551 AI is a method for producing high-temperature resistant reflectors, mirrors, antennas or the like, in particular for orbital use, can be removed, objects of this type having a surface-smoothing, reflective layer made of silicon or silicon carbide, carbon, silicon oxide, silicon nitride or from Gold, silver, nickel, copper or alloys thereof are applied by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD) or flame spraying. The objects in turn have a support structure made of fiber-reinforced materials, such as carbon-fiber-reinforced carbon, carbon-fiber-reinforced silicon carbide, silicon carbide-fiber-reinforced silicon carbide or mixtures of such materials. The coating of these objects, which are generally used only once, is used exclusively to optimize the electromagnetic properties and is therefore referred to as a reflection layer. It is used in particular to achieve a high level of mirror component rigidity, whereby primarily large-area and three-dimensional mirror structures are to be achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen Ver- wendungszweck für eine Beschichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen. Sie ist ferner auf Verfahren zur Herstellung einer solchen Beschichtung gerichtet.The object of the invention is to propose a new use for a coating of the type mentioned at the beginning. It is also directed to methods for producing such a coating.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Verwendung einer Beschichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die weitere Schicht als Verschleißschutzschicht zur Verminderung des Abbrands an thermisch und/oder oxidativ hochbelasteten Oberflächen dient.According to the invention, this object is achieved when using a coating of the type mentioned at the outset in that the further layer serves as a wear protection layer to reduce the erosion on surfaces which are subjected to high thermal and / or oxidative loads.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Nitride, Oxide bzw. Oxinitride von wenigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element enthaltende Verschleißschutzschicht die faserverstärkte Keramik vor Oxidation und Sublimation und somit vor Abbrand und Erosion schützt, indem sie diese einerseits im wesentlichen vor einem Kontakt mit Sauerstoff oder Stickstoff sowohl in atomarer als auch insbesondere in molekularer Form bewahrt, andererseits durch weitgehende Inhibierung einer Oxidation der Keramik mit Sauerstoff oder Stickstoff, bei der zusätzlich Reaktions- wärme frei wird, für eine geringere thermische Beanspruchung und somit für eine höhere thermische Dauerstandfestigkeit sorgt. Derart wird es insbesondere möglich, teuren, zur mehrmaligen Verwendung bestimmten Objekten mit einer Hitzeschutzoberfläche oder -Verkleidung aus faserver- stärkter Keramik, z.B. Raketen, bemannten Raumfahrzeugen, Hochtemperaturreaktoren und Hochtemperaturöfen, wie Schmelzöfen und insbesondere Ofentüren etc., auf einfache und kostengünstige Weise einen einwandfreien Hitzeschutz unter Schonung der zu diesem Zweck vorgesehenen faserver- stärkten Keramik zu verleihen.Surprisingly, it has been found that the nitrides, oxides or oxynitrides of at least one wear protection layer contained in the ceramic protect the fiber-reinforced ceramic against oxidation and sublimation and thus against erosion and erosion by essentially protecting it from contact with oxygen or Nitrogen is preserved both in atomic and in particular in molecular form, on the other hand, by largely inhibiting oxidation of the ceramic with oxygen or nitrogen, which also releases heat of reaction, ensures lower thermal stress and thus higher thermal fatigue strength. In this way, it becomes possible, in particular, to use expensive, multi-use objects with a heat protection surface or cladding made of fiber-reinforced ceramic, for example rockets, manned spacecraft, To provide high-temperature reactors and high-temperature furnaces, such as melting furnaces and in particular furnace doors, etc., in a simple and inexpensive manner, perfect heat protection while protecting the fiber-reinforced ceramic provided for this purpose.
Die Wirkungsweise der zur Verminderung des Abbrands und der Erosion der Keramik eingesetzten Verschleißschutzschicht ist nachfolgend erläutert:The mode of operation of the wear protection layer used to reduce the erosion and erosion of the ceramic is explained below:
Bei der thermischen und oxidativen Beanspruchung von keramischen Oberflächen der vorgenannten Art kommt es zu Beginn der thermischen Belastung, z.B. unmittelbar beim Eintritt eines Raumflugkörpers in die Erdatmosphäre oder beim Öffnen der Tür eines Hochtemperaturofens, zu einer ausgeprägtenWhen thermal and oxidative stressing of ceramic surfaces of the aforementioned type occurs, thermal stress begins, e.g. immediately when a spacecraft enters the earth's atmosphere or when the door of a high-temperature furnace is opened
Erosion, solange nämlich die Konzentration der für den oxidativen Angriff maßgeblichen Atmosphärengase (02, N2) an der Oberfläche am größten bzw. solange die Konzentration der bei der Oxidation entstehenden Reaktionsprodukte auf der Oberfläche noch gering ist. Durch Sublimation und Oxidation der faserverstärkten Keramik werden unter den herrschenden Bedingungen in der Regel feste und gasförmige Reaktionsprodukte, wie CN, SiO, Si, CO, C02 etc. gebildet, so daß sich unmittelbar an der Oberfläche eine erhöhte Konzen- tration dieser Reaktionsprodukte einstellt, die einer weitergehenden Oxidation an der Oberfläche durch die Atmosphärengase entgegenwirken. Die Gase müssen zunächst durch die Reaktionsprodukte diffundieren, um in tieferen Schichten mit der faserverstärkten Keramik zu reagieren. Es stellt sich folglich ein von der Kinetik abhängiges chemischesErosion, as long as the concentration of the atmospheric gases relevant for the oxidative attack (0 2 , N 2 ) on the surface is greatest or as long as the concentration of the reaction products formed on the surface is still low. By sublimation and oxidation of the fiber-reinforced ceramic, solid and gaseous reaction products such as CN, SiO, Si, CO, C0 2 etc. are generally formed under the prevailing conditions, so that an increased concentration of these reaction products is established directly on the surface which counteract further oxidation on the surface by the atmospheric gases. The gases must first diffuse through the reaction products in order to react with the fiber-reinforced ceramic in deeper layers. This results in a chemical that depends on the kinetics
Gleichgewicht ein. Die Nitride, Oxide und/oder Oxinitride von wenigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element enthaltende oder auch gänzlich aus wenigstens einem der genannten Stoffe bestehende Verschleißschutzschicht sorgt insbesondere zu Beginn der thermisch oxidativen Bean- spruchung für eine Verringerung des Abbrands und der Erosion der faserverstärkten Keramik, indem die üblicherweise erst bei dem oxidativen Angriff der Keramik gebildeten, die Oxidation inhibierenden Reaktionsprodukte in der Ver- schleißschutzschicht bereits vorhanden sind und nicht erst durch Oxidation der faserverstärkten Keramik freigesetzt werden müssen, so daß die Keramik zu Beginn der Belastung vor Abbrand und Erosion weitgehend bewahrt wird und erst nach Abtrag der Verschleißschutzschicht, nachdem sich das von der Kinetik abhängige chemische Gleichgewicht bereits eingestellt hat und den inhibierenden Substanzen der Verschleißschutzschicht entsprechende Substanzen durch Oxidation der Keramik neu gebildet werden, einem oxidativen Angriff ausgesetzt ist. Weiterhin wird die Sublimation an der Oberfläche der faserverstärkten Keramik zu Beginn der Beanspruchung weitgehend verhindert oder zumindest verringert, da die Verschleißschutzschicht die exotherme Oxidation von Anfang an inhibiert und somit keine zusätzliche Reaktionswärme frei wird. Die Verschleißschutzschicht nimmt somit die Bildung einer für das keramische Grundmaterial typischen Eigenschutzschicht vorweg.Balance one. The nitrides, oxides and / or oxynitrides of at least one wear protection layer containing a chemical element contained in the ceramic or also consisting entirely of at least one of the substances mentioned ensures in particular at the beginning of the thermally oxidative stress. to reduce the erosion and erosion of the fiber-reinforced ceramic, since the reaction products which usually only form during the oxidative attack of the ceramic and which inhibit the oxidation are already present in the wear protection layer and do not have to be released by oxidation of the fiber-reinforced ceramic that the ceramic is largely protected from erosion and erosion at the beginning of the load and only after the wear protection layer has been removed, after the chemical equilibrium, which is dependent on the kinetics, has already been established and the inhibiting substances of the wear protection layer are formed anew by oxidation of the ceramic is exposed to oxidative attack. Furthermore, the sublimation on the surface of the fiber-reinforced ceramic is largely prevented or at least reduced at the beginning of the stress, since the wear protection layer inhibits the exothermic oxidation from the beginning and therefore no additional heat of reaction is released. The wear protection layer thus anticipates the formation of a self-protection layer typical of the ceramic base material.
Durch die Verschleißschutzschicht, die beispielsweise vor jeder thermischen Beanspruchung erneut auf die zu schützen- de faserverstärkte Keramik aufgebracht werden kann, wird die Lebensdauer derselben auf einfache und kostengünstige Weise beträchtlich erhöht. Die Verschleißschutzschicht ist z.B. auch für solche Oberflächen geeignet, die von mehreren, eine im wesentlichen geschlossene Oberfläche bildenden keramischen Isolierkacheln gebildet sind (DE 195 13 906) .The wear protection layer, which can be reapplied to the fiber-reinforced ceramic to be protected, for example, before each thermal stress, considerably increases the service life of the ceramic in a simple and inexpensive manner. The wear protection layer is e.g. also suitable for surfaces which are formed by a plurality of ceramic insulating tiles which form an essentially closed surface (DE 195 13 906).
Die Dicke der Verschleißschutzschicht kann je nach Anforderung an die thermische Beständigkeit zwischen 1 μm und 500 μm, insbesondere zwischen etwa 10 μm und etwa 50 μm betra- gen. Untersuchungen haben gezeigt, daß bereits Schichtdik- ken im Bereich von 1 μm bis 30 μm die Erosion der Oberfläche der faserverstärkten Keramik zu Beginn einer thermischen Beanspruchung deutlich verringern.The thickness of the wear protection layer can be between 1 μm and 500 μm, in particular between approximately 10 μm and approximately 50 μm, depending on the requirements for thermal resistance. Studies have shown that layer thicknesses In the range from 1 μm to 30 μm, the erosion of the surface of the fiber-reinforced ceramic can be significantly reduced at the beginning of thermal stress.
In bevorzugter Ausführung werden faserverstärkte, insbesondere carbonfaserverstärkte Keramiken eingesetzt, die wenigstens 25 Mass.-% Siliciumcarbid (SiC) enthalten und deren Verschleißschutzschicht Siliciumnitride und/oder Siliciumo- xide und/oder Siliciumoxinitride und/oder Siliciumoxidcar- bide enthält.In a preferred embodiment, fiber-reinforced, in particular carbon fiber-reinforced ceramics are used which contain at least 25% by mass of silicon carbide (SiC) and whose wear protection layer contains silicon nitrides and / or silicon oxides and / or silicon oxynitrides and / or silicon oxide carbides.
Zur Herstellung einer derartig verwendeten Beschichtung kommen verschiedene Verfahren in Frage. So kann die Verschleißschutzschicht mittels eines an sich bekannten PVD- Verfahrens (Physical Vapour Deposition) auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht werden. Hiermit sind solche Verfahren zur Herstellung dünner Schichten angesprochen, bei denen das Beschichtungsmaterial, nämlich Nitride und/ oder Oxinitride und/oder Oxide von wenigstens einem in der Keramik enthaltenden chemischen Element, insbesondere Sili- cium und Kohlenstoff, im Vakuum durch rein physikalische Methoden in die Gasphase überführt und an der zu schützenden Oberfläche der faserverstärkten Keramik abgeschieden wird. Es kommen im wesentlichen drei verschiedene Verfah- rensvarianten in Frage: Das Beschichtungsmaterial kann einerseits im Hochvakuum auf die Oberfläche aufgedampft werden, wobei es bis zum Übergang entweder vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Zustand oder direkt vom festen in den gasförmigen Zustand mittels elektrischer Wider- Standsheizungen, Elektronen- oder Laserbeschuß, Lichtbogen- verdampfen od. dgl . erhitzt wird. Stattdessen kommt auch das Sputtering in Frage, bei dem ein aus dem jeweiligen Beschichtungsmaterial bestehendes festes Target im Vakuum mit energiereichen Ionen, z.B. Edelgasionen, insbesondere Argonionen, zerstäubt wird, wobei als Ionenquelle z.B. ein Edelgasplasma verwendet wird. Schließlich kann ein aus dem jeweiligen Beschichtungsmaterial bestehendes Target auch unter Vakuum mit Ionenstrahlen beschossen, in den gasförmigen Zustand überführt und an der Oberfläche der faserver- stärkten Keramik abgeschieden werden. Selbstverständlich können die genannten PVD-Verfahren auch kombiniert werden, die Verschleißschutzschicht z.B. durch plasmaunterstütztes Aufdampfen aufgebracht werden.Various methods can be used to produce such a coating. The wear protection layer can thus be applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a PVD process (physical vapor deposition) known per se. This addresses processes for the production of thin layers in which the coating material, namely nitrides and / or oxynitrides and / or oxides, is vacuum-cleaned by at least one chemical element contained in the ceramic, in particular silicon and carbon, by purely physical methods Gas phase is transferred and deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic to be protected. Essentially, three different process variants are possible: On the one hand, the coating material can be vapor-deposited on the surface in a high vacuum, with the transition either from the solid to the liquid to the gaseous state or directly from the solid to the gaseous state by means of electrical resistance - Parking heaters, electron or laser bombardment, arc vaporization or the like. is heated. Instead, sputtering is also possible, in which a solid target consisting of the respective coating material is atomized in a vacuum with high-energy ions, for example noble gas ions, in particular argon ions, with, for example, an ion source Noble gas plasma is used. Finally, a target consisting of the respective coating material can also be bombarded with ion beams under vacuum, converted into the gaseous state and deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic. Of course, the aforementioned PVD processes can also be combined, the wear protection layer being applied, for example by plasma-assisted vapor deposition.
Gemäß einem weiteren an sich bekannten Verfahren wird die Verschleißschutzschicht mittels eines CVD-Verfahrens (Chemical Vapour Deposition) auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht. Bei den CVD-Verfahren (Gasphasenabscheidung) laufen im Gegensatz zu den PVD-Verfahren chemische Reaktio- nen ab. Hierbei werden die bei Temperaturen von etwa 200 bis 2000°C mittels thermischer, plasma- , photonen- oder laseraktivierter Gasphasenabscheidung erzeugten Gaskomponenten mit einem inerten Trägergas, z.B. Argon, in der Regel bei Unterdruck in eine Reaktionskammer überführt, in der die chemische Reaktion stattfindet. Die dabei gebildetenAccording to a further method known per se, the wear protection layer is applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. In contrast to the PVD process, chemical reactions take place in the CVD process (gas phase separation). Here, the gas components generated at temperatures of about 200 to 2000 ° C by means of thermal, plasma, photon or laser activated gas phase deposition are mixed with an inert carrier gas, e.g. Argon, usually transferred to a reaction chamber in which the chemical reaction takes place. The educated
Feststoffkomponenten werden an der Oberfläche der faserverstärkten Keramik abgeschieden. Die flüchtigen Reaktionsprodukte werden mit dem Trägergas abgeführt.Solid components are deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic. The volatile reaction products are removed with the carrier gas.
Die Verschleißschutzschicht kann auch mittels bekannter thermischer Spritzverfahren durch Strahl, Flüssigkeit, Gas oder elektrische Gasentladung, wie Laser-, Schmelzbad-, Flamm-, Detonations- , Hochgeschwindigkeits- , Lichtbogen-, Plasmaspritzen oder dgl . (H.-D. Steffens, J. Wilden: "Moderne Beschichtungsverfahren" , 2. neubearbeitete Auflage, DGM Informationsgesellschaft, ISBN 3-88355-233-2, 1992) auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht werden, wobei sie bevorzugt mittels eines Plasmaspritzverfahrens aufgebracht wird. Hierbei wird ein festes Target durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und damit verbundenem Ionisieren eines Gases, z.B. Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Edelgase etc., mittels eines Plasmabrenners erhitzt und in die Gasphase überführt. Das Target kann beispielsweise aus Siliciumnitrid, -oxinitrid und/oder -oxid bestehen und rein physikalisch in die Gas- phase überführt und an der Oberfläche der faserverstärkten Keramik abgeschieden werden. Das Target kann auch aus Sili- cium bestehen und durch Reaktion mit dem ionisierten Gas - in diesem Fall Sauerstoff und/oder Stickstoff - als Silici- umnitrid, oxinitrid, und/oder -oxid an der Oberfläche der faserverstärkten Keramik abgeschieden werden.The wear protection layer can also be applied by means of known thermal spray processes by means of jet, liquid, gas or electrical gas discharge, such as laser, melt bath, flame, detonation, high-speed, arc, plasma spraying or the like. (H.-D. Steffens, J. Wilden: "Modern Coating Process", 2nd revised edition, DGM Informationsgesellschaft, ISBN 3-88355-233-2, 1992) are applied to the fiber-reinforced ceramic, whereby they are preferably applied by means of a plasma spraying process becomes. Here, a fixed target is created by applying a high-frequency electromagnetic field combined ionization of a gas, for example air, oxygen, nitrogen, hydrogen, noble gases etc., heated by means of a plasma torch and converted into the gas phase. The target can consist, for example, of silicon nitride, oxynitride and / or oxide and can be converted physically into the gas phase and deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic. The target can also consist of silicon and can be deposited on the surface of the fiber-reinforced ceramic by reaction with the ionized gas - in this case oxygen and / or nitrogen - as silicon nitride, oxynitride, and / or oxide.
Gemäß einem anderen Verfahren ist vorgesehen, daß die Verschleißschutzschicht durch Plasmapolymerisation und an- schließende thermische Behandlung des Plasmapolymers aufgebracht wird. Hierbei werden zur Erzeugung des Plasmas bevorzugt solche festen oder flüssigen Mono-, Di-, Oligo- oder Polymere mittels durch Hochfrequenzenergie ionisierter Edelgase zerstäubt, welche in der die Hitzeschutzoberfläche oder -Verkleidung bildenden faserverstärkte Keramik enthaltene chemische Elemente aufweisen. Besteht die Keramik insbesondere aus Siliciumverbindungen, z.B. aus Siliciumcarbid, so werden siliciumorganische Verbindungen, z.B. Poly- siloxane, Polymethylsiloxane, Hexamethyldisiloxan (HMDSO) , stickstoffhaltige Borosiloxane, Silazane bzw. Polysilazane od. dgl . , zur Erzeugung des Plasmas verwendet. Ebenfalls sind andere, insbesondere Titan, Zirkonium, Aluminium aufweisende organische Verbindungen denkbar. Die bei der Zerstäubung freigesetzten Monomere oder Monomerfragmente repo- lymerisieren auf der Oberfläche der faserverstärkten Keramik zu einem vernetzten Polymer unter Bildung einer fest anhaftenden dünnen Schicht. Bei der anschließenden thermischen Behandlung, die z.B. bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1500°C durchgeführt wird, wird die Polymerschicht unter Bildung von Nitriden, Oxinitriden und/oder Oxiden, insbesondere Siliciumnitriden, -oxinitriden und/oder - oxiden keramisiert. Die thermische Behandlung wird insbesondere bei Unterdruck und/oder unter Inertgasatmosphäre durchgeführt, wobei die Polymerschicht thermolytisch bzw. pyrolytisch gespalten wird. Um die Bildung von Nitriden, Oxinitriden oder Oxiden während der Thermolyse gezielt zu steuern, ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, daß bei der thermischen Behandlung Sauerstoff und/oder Stickstoff zugesetzt wird.According to another method, it is provided that the wear protection layer is applied by plasma polymerization and subsequent thermal treatment of the plasma polymer. To generate the plasma, such solid or liquid mono-, di-, oligo- or polymers are preferably atomized by means of noble gases ionized by high-frequency energy, which have chemical elements contained in the fiber-reinforced ceramic forming the heat protection surface or cladding. If the ceramic consists in particular of silicon compounds, for example of silicon carbide, then organosilicon compounds, for example polysiloxanes, polymethylsiloxanes, hexamethyldisiloxane (HMDSO), nitrogen-containing borosiloxanes, silazanes or polysilazanes or the like. , used to generate the plasma. Other organic compounds, in particular titanium, zirconium, aluminum, are also conceivable. The monomers or monomer fragments released during the atomization repolymerize on the surface of the fiber-reinforced ceramic to form a crosslinked polymer with the formation of a firmly adhering thin layer. In the subsequent thermal treatment, which is carried out, for example, at a temperature between 700 ° C. and 1500 ° C., the polymer layer is formed with the formation of nitrides, oxynitrides and / or oxides, ceramized in particular silicon nitrides, oxynitrides and / or oxides. The thermal treatment is carried out in particular under reduced pressure and / or under an inert gas atmosphere, the polymer layer being split thermolytically or pyrolytically. In order to specifically control the formation of nitrides, oxynitrides or oxides during the thermolysis, it is preferred in a preferred embodiment that oxygen and / or nitrogen is added during the thermal treatment.
Ein weiteres Verfahren sieht vor, daß die Verschleißschutzschicht durch Infiltrieren einer Polymer- und/oder Prepoly- merlösung in die zu schützende Oberfläche der faserverstärkten Keramik aufgebracht und anschließend das Polymer thermisch behandelt wird. Zum Infiltrieren wird die Keramik der Hitzeschutzoberfläche z.B. langsam in die Polymerlösung eingetaucht (Dip-Coating) und durch Kapillarwirkung ihrer Poren mit der Lösung infiltriert. Die Schichtdicke kann über die Eintauch- bzw. Ausziehgeschwindigkeit, die Ver- weilzeit in der Lösung und die Viskosität der Lösung gesteuert werden. Die Viskosität wird beispielsweise über die Konzentration des Polymers in der Polymerlösung eingestellt, wobei zur Infiltrierung poröser Keramiken z.B. eine Konzentration des Polymers im Lösungsmittel bis zu etwa 30 Mass.-% gewählt wird, während zur Erzeugung rißfreier Schichten auf der Keramikoberfläche die Konzentration des Polymers im Lösungsmittels vorzugsweise bis zu etwa 10 Mass.-% eingestellt wird. Die Polymerlösung kann auch unter Druck (Druckinfiltration) oder unter Unterdruck (Va- kuuminfiltration) infiltriert werden. Als Polymere oderAnother method provides that the wear protection layer is applied by infiltrating a polymer and / or prepolymer solution into the surface of the fiber-reinforced ceramic to be protected and then the polymer is thermally treated. For infiltration, the ceramic of the heat protection surface is e.g. slowly immersed in the polymer solution (dip coating) and infiltrated with the solution by capillary action of its pores. The layer thickness can be controlled via the immersion or extraction speed, the residence time in the solution and the viscosity of the solution. The viscosity is adjusted, for example, via the concentration of the polymer in the polymer solution, for example to infiltrate porous ceramics. a concentration of the polymer in the solvent of up to about 30% by mass is selected, while the concentration of the polymer in the solvent is preferably set up to about 10% by mass to produce crack-free layers on the ceramic surface. The polymer solution can also be infiltrated under pressure (pressure infiltration) or under vacuum (vacuum infiltration). As polymers or
Prepolymere kommen ebenfalls die o.g. siliciumorganischen Verbindungen in Frage. Die thermische Behandlung wird auf die oben beschriebene Weise durchgeführt. Gemäß einem weiteren Verfahren ist vorgesehen, daß die Verschleißschutzschicht durch Infiltrieren von polymerisierba- re funktioneile Gruppen enthaltenden Alkoholaten (Alkoxide) von wenigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element in die zu schützende Oberfläche der faserverstärkten Keramik, Vernetzen der Alkoholate unter Bildung von Polymeren und anschließende thermische Behandlung der gebildeten Polymere auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird. Ein solches Verfahren ist zur Herstellung von Glaske- ramiken aus Metallalkoholaten bekannt (V. GottardiThe above-mentioned organosilicon compounds are also suitable for prepolymers. The thermal treatment is carried out in the manner described above. According to a further method, it is provided that the wear protection layer by infiltrating polymerizable alcoholates (alkoxides) containing functional groups of at least one chemical element contained in the ceramic into the surface of the fiber-reinforced ceramic to be protected, crosslinking the alcoholates to form polymers and subsequent thermal treatment of the polymers formed is applied to the fiber-reinforced ceramic. Such a process is known for the production of glass ceramics from metal alcoholates (V. Gottardi
(Herausgeber): Glasses an glass ceramics from gels, Proc. Int. Workshop on Glass and Glass Ceramics from Gels, Padua 1981, in: J. Non-cryst. Solids 48, 1982) . Erfindungsgemäß werden für die Verschleißschutzschicht Alkoholate von we- nigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element, z.B. Siliciumalkoholate, eingesetzt. Die auf die zu schützende Oberfläche aufgebrachten, gegebenenfalls organisch modifizierten Alkoholate werden z.B. durch gesteuerte Hydrolyse und Kondensation der Alkoholate zu einem anorga- nischen Netzwerk umgesetzt. Hierbei wirken die Alkoholate als basische Kondensationsmittel. Alternativ können Cokon- densationen mit anderen Metallalkoholaten, z.B. Titan-, Zirkonium-, Aluminiumalkoholaten etc., oder mit organischen StickstoffVerbindungen durchgeführt werden. Anschließend werden die an dem organischen Netzwerk fixierten polymeri - sierbaren Gruppen beispielsweise thermisch oder durch hochfrequente elektromagnetische Strahlung, z.B. Ultraviolett (UV) , vernetzt. Das erhaltene, in der Regel anorganisch/organische Copolymer wird durch thermische Behandlung zu einer stabilen Verschleißschutzschicht aus Nitriden, Oxinitriden und/oder Oxiden der chemischen Elemente der eingesetzten Alkoholate umgesetzt. Die thermische Behandlung wird ebenfalls auf die oben beschriebene Weise durchgeführt . Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Diagramme im einzelnen erläutert. Es zeigen:(Editor): Glasses an glass ceramics from gels, Proc. Int. Workshop on Glass and Glass Ceramics from Gels, Padua 1981, in: J. Non-cryst. Solids 48, 1982). According to the invention, alcoholates of at least one chemical element contained in the ceramic, for example silicon alcoholates, are used for the wear protection layer. The optionally organically modified alcoholates applied to the surface to be protected are converted into an inorganic network, for example by controlled hydrolysis and condensation of the alcoholates. The alcoholates act as basic condensing agents. Alternatively, cocondensation can be carried out with other metal alcoholates, for example titanium, zirconium, aluminum alcoholates etc., or with organic nitrogen compounds. The polymerizable groups fixed to the organic network are then crosslinked, for example thermally or by high-frequency electromagnetic radiation, for example ultraviolet (UV). The generally inorganic / organic copolymer obtained is converted by thermal treatment to form a stable wear protection layer composed of nitrides, oxynitrides and / or oxides of the chemical elements of the alcoholates used. The thermal treatment is also carried out in the manner described above. The invention is explained in detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the diagrams. Show it:
Fig. 1 ein Diagramm zum Zeitverhalten derFig. 1 is a diagram of the time behavior of the
Erosionsrate einer carbonfaserverstärkten Siliciumcarbid-Keramik bei zwei verschiedenen Oberflächentemperaturen ohne Verschleißschutz - Schicht (1,2) und mit einer etwa 15 μm dicken Verschleißschutzschicht aus SiC-Nitriden (3) undErosion rate of a carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic at two different surface temperatures without wear protection layer (1,2) and with an approximately 15 μm thick wear protection layer made of SiC nitrides (3) and
Fig. 2 ein Diagramm zum zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur einer carbonfaserverstärkten Siliciumcarbid-Keramik ohne Verschleißschutz- schicht (4) und mit zwei verschiedenen Verschleißschutzschichten (5,6)2 shows a diagram of the course over time of the surface temperature of a carbon fiber-reinforced silicon carbide ceramic without wear protection layer (4) and with two different wear protection layers (5, 6)
Fig.l zeigt die Erosionsrate in mg/s eines aus carbonfaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik bestehenden Hitzeschildes ohne Verschleißschutzschicht bei 1870 K (1) und bei 1950 K (2) in Abhängigkeit von der Zeit. Zu Beginn der thermischen bzw. oxidativen Beanspruchung tritt am Hitzeschild eine hohe Erosion durch die Bildung einer Oxidschicht auf der Keramikoberfläche und erreicht nach etwa 30 min einen nahezu konstanten asymptotischen Gleichgewichts - wert (7) von etwa 0,16 mg/s.Fig.l shows the erosion rate in mg / s of a heat shield made of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic without a wear protection layer at 1870 K (1) and at 1950 K (2) as a function of time. At the beginning of the thermal or oxidative stress, a high erosion occurs on the heat shield due to the formation of an oxide layer on the ceramic surface and after about 30 minutes reaches an almost constant asymptotic equilibrium value (7) of about 0.16 mg / s.
In Fig. 2 ist der Oberflächentemperaturverlauf eines aus carbonfaserverstärkter Siliciumcarbid- Keramik bestehenden Hitzeschildes in Abhängigkeit von der Zeit bei experimen- teil simulierten Raumfahrt-Wiedereintrittsbedingungen dar- gestellt. Das unbeschichtete Hitzeschild (4) weist zu Beginn der thermischen bzw. oxidativen Beanspruchung einen hohen Temperaturanstieg bis auf etwa 1800 °C auf, der unter anderem durch die bei der oberflächigen Oxidation der Keramik freiwerdende Reaktionswärme verursacht wird. Nach Bildung einer Oxidschicht auf der Keramikoberfläche nach etwa 5 min sinkt die Oberflächentemperatur auf einen nahezu konstanten asymptotischen Gleichgewichtswert (8) von etwa 1600 bis 1650°C.2 shows the surface temperature profile of a heat shield consisting of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic as a function of time with experimentally simulated space reentry conditions. posed. At the beginning of the thermal or oxidative stress, the uncoated heat shield (4) has a high temperature rise to approximately 1800 ° C., which is caused, among other things, by the heat of reaction released during the surface oxidation of the ceramic. After an oxide layer has formed on the ceramic surface after about 5 minutes, the surface temperature drops to an almost constant asymptotic equilibrium value (8) of about 1600 to 1650 ° C.
Wie Kurve 3 in Fig. 1 erkennen läßt, wird durch eine etwa 15 μm dicke Verschleißschutzschicht der Keramik mit SiC- Nitriden die zu Beginn der thermischen bzw. oxidativen Beanspruchung erhöhte Erosionsrate bis auf einen dem Gleich- gewichtswert (7) etwa entsprechende Wert abgesenkt, so daß eine geringe, im wesentlichen konstante Erosionsrate über die gesamte Zeit der thermisch- oxidativen Belastung erhalten wird.As can be seen in curve 3 in FIG. 1, an approximately 15 μm thick wear protection layer of the ceramic with SiC nitrides reduces the erosion rate which increased at the beginning of the thermal or oxidative stress to a value approximately corresponding to the equilibrium value (7). so that a low, essentially constant erosion rate is obtained over the entire time of the thermal-oxidative load.
Die Verschleißschutzschicht kann beispielsweise durch Infiltrieren einer Polymerlösung in die Keramik (Dip-Coating) und anschließende thermische Behandlung des derart aufgebrachten Polymers unter Bildung der Nitride aufgebracht sein.The wear protection layer can be applied, for example, by infiltrating a polymer solution into the ceramic (dip coating) and subsequent thermal treatment of the polymer applied in this way to form the nitrides.
Entsprechend wird die Oberflächentemperatur (Fig.2) durch eine Verschleißschutzschicht auf der Keramikoberfläche (5,6) zu Beginn der thermischen bzw. oxidativen Beanspruchung um etwa 250°C abgesenkt. Während (5) den Temperatur- verlauf an einer Keramikoberfläche mit einer durch PVD- oder CVD-Verfahren aufgebrachten , etwa 15 μm dicken Verschleißschutzschicht aus Siliciumoxid darstellt, zeigt (6) den Temperaturverlauf an einer Keramikoberfläche mit einer durch Dip-Coating mit Polymethylsiloxan und anschließender Thermolyse aufgebrachten Verschleißschutzschicht aus Sili- ciumoxid.Accordingly, the surface temperature (FIG. 2) is reduced by approximately 250 ° C. by a wear protection layer on the ceramic surface (5, 6) at the beginning of the thermal or oxidative stress. While (5) shows the temperature curve on a ceramic surface with an approximately 15 μm thick wear protection layer made of silicon oxide applied by PVD or CVD processes, (6) shows the temperature curve on a ceramic surface with a dip coating with polymethylsiloxane and subsequent Thermolysis applied wear protection layer made of silicon oxide.
Beispiel 1:Example 1:
Ein aus carbonfaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik bestehendes Hitzeschild wird gemäß einer der nachfolgenden Ausführungsvarianten mit einer Verschleißschutzschicht versehen, die eine erhöhte Temperaturbelastbarkeit und eine verminderte Erosion der Keramik sicherstellt.A heat shield made of carbon fiber-reinforced silicon carbide ceramic is provided with a wear protection layer in accordance with one of the following design variants, which ensures increased temperature resistance and reduced erosion of the ceramic.
a) Thermisches Verdampfen von Siliciumdioxid (Si02) mittels eines Elektronenstrahlverdampfers (PVD -Verfahren) :a) Thermal evaporation of silicon dioxide (Si0 2 ) using an electron beam evaporator (PVD process):
Ein Quarztarget (Si02) wird im Vakuum mittels einesA quartz target (Si0 2 ) is vacuumed using a
Elektronenstrahls bis zur Sublimation des Si02 erhitzt und das gasförmige Si02 auf der Oberfläche des keramischen Hitzeschildes abgeschieden. In kurzer Zeit bildet sich eine Si02-Verschleißschutzschicht mit einer Schichtdicke von etwa 10 bis 100 μm auf der Keramik.Electron beam heated to sublimation of Si0 2 and the gaseous Si0 2 deposited on the surface of the ceramic heat shield. An Si0 2 wear protection layer with a layer thickness of about 10 to 100 μm forms on the ceramic in a short time.
b) Reaktives thermisches Verdampfen von Siliciummonoxidb) Reactive thermal evaporation of silicon monoxide
(SiO) unter Zusatz von Sauerstoff und/oder Stickstoff (CVD -Verfahren) :(SiO) with the addition of oxygen and / or nitrogen (CVD process):
Ein SiO-Target wird im Vakuum thermisch verdampft. Durch die Zugabe von Sauerstoff kann eine aus SiOx bestehende Verschleißschutzschicht mit 1,5 ≤ x ≤ 2 eingestellt werden. Durch Zugabe von Stickstoff bzw. Sauer - stoff -Stickstoffgemische mit variablem Verhältnis kann eine aus Siliciumnitrid bzw. -oxinitrid bestehende Verschleißschutzschicht auf die Keramik aufgebracht wer¬ den. c) Direktes Sputtering vo,n Siliciumdioxid (Si02) mit ArgonAn SiO target is thermally evaporated in a vacuum. By adding oxygen, a wear protection layer consisting of SiO x can be set to 1.5 ≤ x ≤ 2. By addition of nitrogen and Sauer - -Stickstoffgemische material with a variable ratio or oxynitride composed of silicon nitride wear protection layer can be applied to the ceramic ¬ the. c) Direct sputtering of silicon dioxide (Si0 2 ) with argon
(PVD-Verfahren) :(PVD process):
Ein Quarztarget (Si02) wird durch Beschüß mit Argonio- nen im Vakuum zerstäubt und auf der Keramik abgeschieden. Derart werden insbesondere sehr dichte Schichten erhalten.A quartz target (Si0 2 ) is atomized by bombardment with argon ions in a vacuum and deposited on the ceramic. In this way, very dense layers are obtained in particular.
d) Reaktives Sputtering von Silicium mit Argon (CVD-Ver- fahren) :d) Reactive sputtering of silicon with argon (CVD process):
Ein Siliciumtarget wird durch Beschüß mit Argonionen im Vakuum zerstäubt. Durch kontrollierte Zugabe von Sauerstoff und/oder Stickstoff werden Verschleißschutz - schichten aus SiOx mit 1,5 ≤ x ≤ 2 oder aus Silciumni- trid oder -oxinitrid erhalten.A silicon target is atomized by bombardment with argon ions in a vacuum. By adding oxygen and / or nitrogen in a controlled manner, wear protection layers of SiO x with 1.5 ≤ x ≤ 2 or of silicon nitride or oxynitride are obtained.
e) Thermisch aktivierte Gasphasenabscheidungen aus flüchtigen Siliciumverbindungen (CVD -Verfahren) :e) Thermally activated vapor deposition from volatile silicon compounds (CVD process):
Flüchtige Siliciumverbindungen, z.B. Silane, werden im Vakuum thermisch in die Gasphse überführt und durch kontrollierte Zugabe von Sauerstoff und/oder Stickstoff als SiOx mit 1,5 ≤ x ≤ 2, Siliciumnitrid oder -oxini- trid auf der Keramik abgeschieden.Volatile silicon compounds, eg silanes, are thermally transferred to the gas phase in a vacuum and deposited on the ceramic by controlled addition of oxygen and / or nitrogen as SiO x with 1.5 ≤ x ≤ 2, silicon nitride or oxynitride.
f) Plasma -aktivierte Gasphasenabscheidung aus flüchtigen Siliciumverbindungen (CVD-Verfahren) :f) Plasma-activated vapor deposition from volatile silicon compounds (CVD method):
Flüchtige Siliciumverbindungen, z.B. Silane oder sili- ciumorganische Verbindungen, wie Hexamethyldisiloxan (HMDSO) , werden im Vakuum mittels eines Plasmas, z.B. eines Argonplasmas, in die Gasphase überführt und durch kontrollierte Zugabe von Sauerstoff und/oder Stickstoff als SiOx mit 1,5 ≤ x < 2, Siliciumnitrid oder -oxini- trid auf der Keramik abgeschieden.Volatile silicon compounds, for example silanes or silicon-organic compounds, such as hexamethyldisiloxane (HMDSO), are converted into the gas phase in a vacuum by means of a plasma, for example an argon plasma, and by controlled addition of oxygen and / or nitrogen as SiO x with 1.5 ≤ x <2, silicon nitride or oxini- trid deposited on the ceramic.
Beispiel 2:Example 2:
Ein aus carbonfaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik bestehendes Hitzeschild wird mittels Plasmapolymerisation mit einem Plasmapolymer aus einer siliciumorganischen Verbindung, z.B. HMDSO, mit einer Schichtdicke von etwa 50 μm beschichtet. Unter kontrollierter Zugabe von Sauerstoff und/oder Stickstoff wird das Plasmapolymer durch Thermolyse bei etwa 800°C keramisiert.A heat shield made of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic is made by plasma polymerization with a plasma polymer made of an organosilicon compound, e.g. HMDSO, coated with a layer thickness of about 50 microns. With the controlled addition of oxygen and / or nitrogen, the plasma polymer is ceramized by thermolysis at about 800 ° C.
Beispiel 3:Example 3:
Ein aus flüssigphasensiliciertem carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (C/C- SiC-Werkstoff) bestehendes Hitzeschild wird entsiliciert (von elementarem Silicium befreit) und durch Infiltrieren mit einer siliciumorganischen, prekera- mischen Polymerlösung oder Mischungen mehrerer solcher Po- lymere in einer Lösung und anschließender thermischer Behandlung der Polymerschicht beschichtet. Für eine poröse Keramik wird eine Polymerkonzentration in der Lösung bis etwa 30 Mass.-% eingestellt. Als prekeramisches Polymer wird Polymethylsiloxan gewählt und jeweils eine Lösung von 30 Mass.-% und 5 Mass.-% Polymethylsiloxan in Ethanol hergestellt. Die Keramik wird mittels Dip-Coating mit Eintauch- und Ausziehgeschwindigkeiten von jeweils 2,7 cm/min zunächst in die 5 Mass.-%ige ethanolische Polymethylsilo- xanlösung getaucht, um eine rißfreie Verschleißschutz - schicht zu erhalten. Die derart beschichtete Keramik wird zur Keramisierung der Polymerschicht unter Bildung von Si- liciumoxid unter Argonatatmosphäre bei etwa 800 °C eine Stunde in einem Quarzschlenkrohr thermolysiert . Die Auf - heiz- und Abkühlrate beträgt jeweils etwa 1,8 K/min. An- schließend wird die Keramik zur Verringerung der Porosität mehrmals in die 30 Mass.-%ige ethanolische Polymethylsilo- xanlösung getaucht und die Polymerschicht erneut auf die beschriebene Weise pyrolysiert. Den Verlauf der Oberflächentemperatur einer derart beschichteten Keramik bei expe- rimentell simulierten Raumfahrt -Wiedereintrittsbedingungen in Abhängigkeit von der Zeit zeigt Kurve (6) in Fig. 2.A heat shield consisting of liquid-phase-siliconized carbon fiber-reinforced carbon (C / C-SiC material) is desiliconized (freed from elemental silicon) and by infiltration with an organosilicon, preceramic polymer solution or mixtures of several such polymers in a solution and subsequent thermal treatment of the Coated polymer layer. For a porous ceramic, a polymer concentration in the solution of up to about 30% by mass is set. Polymethylsiloxane is selected as the preceramic polymer and a solution of 30% by mass and 5% by mass of polymethylsiloxane in ethanol is prepared in each case. The ceramic is first immersed in the 5% by mass ethanolic polymethylsiloxane solution by means of dip coating with immersion and extraction speeds of 2.7 cm / min in each case in order to obtain a crack-free wear protection layer. The ceramic coated in this way is thermolyzed in a quartz deflection tube for one hour at about 800 ° C. to ceramize the polymer layer to form silicon oxide under an argon atmosphere. The heating and cooling rate is about 1.8 K / min each. Then the ceramic is used to reduce the porosity dipped several times into the 30% by mass ethanolic polymethylsiloxane solution and the polymer layer was again pyrolyzed in the manner described. The course of the surface temperature of a ceramic coated in this way under experimentally simulated space travel re-entry conditions as a function of time is shown in curve (6) in FIG. 2.
Beispiel 4:Example 4:
Ein aus carbonfaserverstärkter Siliciumcarbid-Keramik bestehendes Hitzeschild wird durch Infiltrieren mit organisch modifizierten, polymerisierbare funktionelle Gruppen enthaltenden Siliciumalkoholaten (Siliciumalkoxiden) , Hydrolyse und Kondensation der Siliciumalkoholate unter Bildung eines anorganischen Netzwerks und UV- initiierter Vernetzung der am anorganischen Netzwerk fixierten polymerisierbaren Gruppen mit einem anorganisch/organischen Copolymer beschichtet. Letztgenanntes wird gemäß Beispiel 3 unter Bildung von Siliciumoxid keramisiert. A heat shield consisting of carbon fiber reinforced silicon carbide ceramic is infiltrated with organically modified silicon alcoholates (silicon alkoxides) containing polymerizable functional groups, hydrolysis and condensation of the silicon alcoholates to form an inorganic network and UV-initiated crosslinking of the polymerizable groups attached to the inorganic network with an inorganic / coated organic copolymer. The latter is ceramized according to Example 3 to form silicon oxide.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verwendung einer Beschichtung mit faserverstärkter Keramik, die eine weitere Schicht aus Nitriden und/oder Oxiden und/oder Mischverbindungen aus Oxiden und Nitri den (Oxinitride) von wenigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht als Verschleiß - Schutzschicht zur Verminderung des Abbrands an thermisch und/oder oxidativ hochbelasteten Oberflächen dient.1. Use of a coating with fiber-reinforced ceramic, which has a further layer of nitrides and / or oxides and / or mixed compounds of oxides and nitrides (oxynitrides) of at least one chemical element contained in the ceramic, characterized in that the further layer as Wear - protective layer to reduce the burn-off on thermally and / or oxidatively highly stressed surfaces.
2. Verwendung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Verschleißschutzschicht etwa zwischen 1 um und etwa 500 μm beträgt.2. Use of a coating according to claim 1, characterized in that the thickness of the wear protection layer is between approximately 1 µm and approximately 500 µm.
3. Verwendung einer Beschichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Verschleißschutzschicht zwischen etwa 10 μm und etwa 50 um beträgt.3. Use of a coating according to claim 2, characterized in that the thickness of the wear protection layer is between about 10 microns and about 50 microns.
4. Verwendung einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die faserverstärkte Keramik wenigstens 25 Mass.-% Siliciumcarbid (SiC) und die Verschleißschutzschicht Siliciumnitride und/oder Siliciumoxide und/oder Siliciumoxinitride und/oder Siliciumoxidcarbide enthält. 4. Use of a coating according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fiber-reinforced ceramic contains at least 25 mass .-% silicon carbide (SiC) and the wear protection layer silicon nitride and / or silicon oxide and / or silicon oxynitride and / or silicon oxide carbide.
5. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht mittels eines PVD-Verfah- rens (Physical Vapour Deposition) auf die faserver- stärkte Keramik aufgebracht wird.5. A method for producing a coating according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer is applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a PVD process (Physical Vapor Deposition).
6. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht mittels eines CVD-Verfah- rens (Chemical Vapour Deposition) auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird.6. A process for producing a coating according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer is applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a CVD process (Chemical Vapor Deposition).
7. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht mittels eines thermischen7. A method for producing a coating according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer by means of a thermal
Spritzverfahrens auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird.Spraying process is applied to the fiber-reinforced ceramic.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht mittels eines Plasmaspritzverfahrens auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the wear protection layer is applied to the fiber-reinforced ceramic by means of a plasma spraying process.
9. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß ei- nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht durch Plasmapolymerisation und anschließende thermische Behandlung des Plasmapolymers auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird.9. A method for producing a coating according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer is applied to the fiber-reinforced ceramic by plasma polymerization and subsequent thermal treatment of the plasma polymer.
10. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht durch Infiltrieren einer Polymer- und/oder Prepolymerlösung in die zu schützende Oberfläche der faserverstärkten Keramik und anschlie- ßende thermische Behandlung des durch Infiltrieren auf- gebrachten Polymers auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird.10. A method for producing a coating according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer by infiltrating a polymer and / or prepolymer solution into the surface of the fiber-reinforced ceramic to be protected and then thermal treatment of the by infiltration. brought polymer is applied to the fiber-reinforced ceramic.
11. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung gemäß ei- nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht durch Infiltrieren von po- lymerisierbare funktioneile Gruppen enthaltenden Alko- holaten von wenigstens einem in der Keramik enthaltenen chemischen Element in die zu schützende Oberfläche der faserverstärkten Keramik, Vernetzen der Alkoholate unter Bildung von Polymeren und anschließende thermische Behandlung der gebildeten Polymere auf die faserverstärkte Keramik aufgebracht wird.11. A process for producing a coating according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wear protection layer by infiltrating alcohols containing polymerizable functional groups from at least one chemical element contained in the ceramic into the surface to be protected fiber-reinforced ceramic, crosslinking of the alcoholates to form polymers and subsequent thermal treatment of the polymers formed is applied to the fiber-reinforced ceramic.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung bei einer Temperatur zwischen 700°C und 1500°C durchgeführt wird.12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the thermal treatment is carried out at a temperature between 700 ° C and 1500 ° C.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung bei Unterdruck durchgeführt wird.13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the thermal treatment is carried out under reduced pressure.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung unter Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.14. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the thermal treatment is carried out under an inert gas atmosphere.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei der thermischen Behandlung Sauerstoff und/oder Stickstoff zugesetzt wird. 15. The method according to any one of claims 9 to 14, characterized in that oxygen and / or nitrogen is added in the thermal treatment.
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DE10348798A1 (en) * 2003-10-21 2005-06-16 Papiertechnische Stiftung Carbide and oxide ceramics and process for their preparation
JP6415356B2 (en) * 2015-03-04 2018-10-31 東京窯業株式会社 Silicon carbide refractory block for molten iron and method for producing the same

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE8602750D0 (en) * 1986-06-19 1986-06-19 Sandvik Ab Laminated ceramic sinter body
DE4328551A1 (en) * 1992-09-02 1994-03-03 Volkswagen Ag Engine speed control system for rally vehicle - uses sensor in suspension to detect wheel lift and actuate speed regulator

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