WO2015086290A1 - Verfahren zur herstellung eines pyrolitiche kohlenschichte/kohlenfasern verbundbauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines pyrolitiche kohlenschichte/kohlenfasern verbundbauteils Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite component, wherein the composite component is formed from a matrix composite of a reinforcing material and a matrix material, wherein the reinforcing material is coated with pyrolytic carbon.
  • the matrix composites used to form composite components typically consist of a continuous matrix material such as a metal matrix and a reinforcement formed of particles or fibers such as carbon fibers in their interior. Due to their high stability and at the same time low weight, these composite components are generally used in lightweight construction, such as in motor vehicle construction, aircraft construction or space travel.
  • the matrix-reinforcing fibers may be short cut fibers or endless fibers. For example, the short cut fibers may be added to a molten metal and potted.
  • carbon fiber reinforced carbon as a material for forming a composite component.
  • organic fibers such as aramid fibers or carbon fibers are impregnated with, for example, a resin, whereby the resin and optionally the aramid fibers are subsequently pyrolyzed.
  • a preform formed in this way can then no longer or no longer be completely infiltrated with a metal or another molten matrix material, because the interspaces between the fibers are then almost completely separated from
  • the carbide formation is essentially effected by a reaction of the carbon of the pyrolyzed fibers, another carbonaceous reinforcing material, or a layer of glassy carbon on the fibers or the reinforcing material with the matrix material.
  • the above-described effect also occurs in an infiltration with, for example, other metals or silicon.
  • a formation of carbides, especially in designed for high strength properties components is considered negative.
  • the high temperatures prevailing in casting, dipping, pressing, sintering or other manufacturing processes cause the undesirable carbide formation.
  • the present invention is therefore based on the object, a method for producing a composite component with improved
  • the composite component is formed from a matrix composite of a reinforcing material and a matrix material, wherein the reinforcing material is coated with pyrolytic carbon, wherein from the reinforcing material, a preform is formed, wherein the reinforcing material for forming the preform
  • the pyrolytic carbon is deposited on the reinforcing material from the gas phase, wherein the preform has at least partially an open pore structure, wherein the open pore structure infiltrated with the matrix material and thus the composite component is formed.
  • Matrix material surrounded or filled, with a direct
  • the reinforcing material may be fibers or particles. Accordingly, the reinforcing material is completely surrounded by the pyrolytic carbon, whereby the reinforcing material is bonded to one another at its mutual contact points of material particle boundaries or fiber boundaries of the reinforcing material by means of the coating of the pyrolytic carbon. Since the reinforcing material is coated with a comparatively thin layer of pyrolytic carbon, there remains between the material particles or fibers of the reinforcing material still a gap which ensures a sufficient, suitable for an infiltration with a matrix material porosity of the preform. The dimensionally stable preform can thus be infiltrated with the matrix material without the geometric shape of the preform being dissolved or changed.
  • a composite component produced by the method according to the invention then has improved mechanical strength properties compared to a conventional composite component, also with regard to a comparable component weight.
  • the pyrolytic carbon is deposited on the reinforcing material from the gas phase. This makes it possible to coat the reinforcing material with a comparatively thin layer of pyrolytic carbon. Furthermore, a layer thickness in the case of a coating from the gas phase j e can be set particularly easily as required. It is also possible
  • the preform is formed with an open pore structure. So it becomes possible that the preform easily with the matrix material different way can be infiltrated. At least partially closed pore structures prevent complete prefilming of the preform with matrix material and result in the formation of cavities which have a negative effect on a mechanical strength of the composite component.
  • the infiltration of the preform with matrix material can be achieved by means of deposition of the matrix material from the gas phase.
  • the matrix material can then preferably be formed as a deposit produced by means of a CVD method and / or a CVI method on the reinforcing material already coated with pyrolytic carbon.
  • the infiltration by a coating of the reinforcing material with matrix material can be carried out so particularly reliable, since the infiltration can be carried out over a longer period and controlled. It is also possible to provide a plurality of treatment steps, in which the preform is infiltrated by means of the CVD and / or CVI method with matrix material by deposition from the gas phase.
  • the infiltration can be achieved by means of a melt formed from the matrix material.
  • a composite component can be formed by casting or immersion in a melt with liquid matrix material, in which case the preform is infiltrated during a casting or dipping process with marmo lzenem matrix material.
  • a composite component can be cast with a desired geometric shape, wherein the preform can then be infiltrated during the casting process with schmo lzenem matrix material.
  • one or more preforms can be inserted in the manner of a core into a casting mold, wherein the preform can fill the casting mold completely or even partially.
  • the preform can be used in the casting be arranged so that the preform is only partially infiltrated with matrix material, that is, a portion of the composite component thus obtained may consist solely of coated reinforcing material without matrix material, wherein a further portion of the composite component comprises coated reinforcing material with matrix material.
  • the composite component can also have a section which is formed exclusively from the matrix material. This makes it possible to produce composite components which have component sections adapted to load cases or specific applications.
  • An infiltration of the preform can be done by die casting, compression molding or vacuum casting.
  • particularly dimensionally stable composite components can be produced.
  • the vacuum casting can be easily achieved that a complete infiltration of the preform with matrix material.
  • the preform may be at least partially or completely infiltrated with molten metal or silicon.
  • a coherent matrix of metal can then be obtained which completely fills substantially all interstices of the pore structure of the preform.
  • it may be provided to infiltrate the preform only by immersion in a melt with the marmo-metal or silicon.
  • the preform can remain relatively long in the melt, since a Auflö solution of the reinforcing material or a carbide formation due to the coating of pyrolytic carbon is prevented. It is also possible to infiltrate the preform several times with molten metal or silicon in order to achieve complete infiltration. The same applies to an infiltration by means of a deposition of metal or silicon from the gas phase.
  • the mechanical strength properties of the composite component can be improved by using technical fibers as the reinforcing material, wherein a fiber composite can be formed from the fibers, and the preform can be formed from the fiber composite. From the technical fibers, a fiber composite is initially formed which initially has a defined geometry. Unwanted inhomogeneities of the fibers in the
  • Composite component can be avoided. From the fiber composite, a dimensionally stable preform can then be formed by coating the fibers of the fiber composite with pyrolytic carbon from the gas phase.
  • continuous filaments can be formed into a desired geometric shape by wrapping, braiding, or any other technique.
  • short-cut fibers without a specific spatial orientation for a coating with pyrolytic carbon.
  • the short cut fibers can be in the form of a fiber mat or a nonwoven, wherein the fiber mat or the nonwoven itself can be used for the geometric shaping of the preform.
  • fiber fabric mats or filament yarns can be used to form an optionally multi-layered fiber composite.
  • the fiber composite can be provided to compress the fiber composite before the formation of the preform by coating.
  • the fiber composite can be added during compression or pressing auxiliaries, which can adhere the fiber composite or the fibers to each other and so provisionally fix, without significantly reduce a porosity of the fiber composite.
  • the fiber composite can be formed as a spatially oriented support structure of the composite component, which is adapted to a load case of the composite component.
  • the fiber composite can be arranged in the composite component or the fibers can be aligned in the composite component, that in an intended use of the composite component forces or stresses within the composite component substantially in the direction of the longitudinal extent of the fibers extend to the greatest possible mechanical strength of the To achieve composite component.
  • A for example, primarily tensile loaded composite component may then have a support structure made of fibers, which are spatially oriented in the direction of the tensile stresses.
  • the fibers of the fiber composite can also be arranged in a combination of different spatial orientations.
  • Composite components with particularly complex geometric shapes are particularly easy to produce when a support structure of the composite component is formed by a plurality of preforms.
  • individual preforms can be formed, which are assembled to form a support structure of the composite component.
  • the preforms can then engage in one another in a form-fitting manner or can also be arranged independently of one another within the composite component.
  • the composite component is formed from a matrix composite of a reinforcing material and a matrix material, wherein the reinforcing material is coated with pyrolytic carbon, wherein the pyrolytic carbon is deposited on the reinforcing material from the gas phase, wherein a mixture is formed from the reinforcing material and the matrix material, wherein the composite component is formed by sintering the mixture.
  • the vapor phase deposited pyrolytic forms are particularly, the vapor phase deposited pyrolytic forms
  • Carbon in contrast to a glassy pyrolyzed glassy carbon from a protective layer on the reinforcing material, which prevents the formation of carbides, and thus a dissolution of the reinforcing material.
  • the coating with pyrolytic carbon from the gas phase causes an improved wettability of the reinforcing material.
  • the reinforcing material is coated with the pyrolytic carbon before mixing with the matrix material.
  • the matrix material During sintering, at least partial or complete melting of the matrix material occurs as a result of pressure and temperature, the matrix material then forming an interconnected matrix which is reinforced by the reinforcing material.
  • the reinforcing material remains intact despite high temperatures during sintering and also prevents the formation of carbides regarded as disadvantageous by the coating of the reinforcing material with pyrolytic carbon from the gas phase.
  • a homogeneous mixture of the reinforcing material and the matrix material can be formed.
  • short cut fibers or nanotubes can be used as a reinforcing material in addition to simple particles in powder form.
  • Short-cut fibers or nanotubes can be mixed particularly easily, for example, with a matrix material which is in powder form. Also, a coating of short cut fibers with pyrolytic carbon from the gas phase is also easily possible.
  • a preform or green compact can be formed before sintering by cold pressing the mixture.
  • the mixture can then be added to a bonding agent.
  • the matrix material can then completely surround and enclose the reinforcing material or its fibers or particles, without the reinforcing material actually coming into contact with the matrix material due to the coating with pyrolytic carbon.
  • the composite component is formed free of carbides. This can be achieved by coating the reinforcing material with pyrolytic carbon from the gas phase so far that the reinforcing material can no longer come into direct contact with the matrix material. The deposited from the gas phase pyrolytic carbon then forms a protective layer on the reinforcing material, which is a possible
  • the matrix composite material may be formed of carbon fibers as a reinforcing material and a metal or a metal alloy as a matrix material.
  • carbon fiber reinforced metal or metal alloy components can be made which are particularly lightweight and have improved mechanical strength properties.
  • silicon or another suitable material instead of a metal, for example, to use silicon or another suitable material as the matrix material.
  • An infiltration of the preform or mixture with the reinforcing material can be carried out with aluminum, titanium, magnesium, copper or an alloy of one of these metals.
  • any metal or any alloy which has a melting point which does not lead to the dissolution of the pyrolytic carbon coating of the carbon fibers is suitable for infiltration or mixing.
  • aluminum is particularly suitable because of its low weight and good processability as a matrix material for lightweight composite components. When mixed with the reinforcing material, it is advantageous if the metal is in powder form.
  • the pyro lytic carbon can be formed as a deposit generated by means of a CVD method or a CVI method on the reinforcing material.
  • the coating of the reinforcing material with pyrolytic carbon can be carried out so easily. It is also possible to provide several treatment steps in which the composite material is coated by means of the CVD or / and CVI method with pyrolytic carbon by deposition from the gas phase.
  • the coated reinforcing material can be provided with a further coating of silicon carbide.
  • the composite member may be formed to have a matrix material content of more than 50% by volume. This is particularly advantageous if, according to the intended use of the composite component, a higher matrix material content has a particularly favorable effect on its own shafts.
  • the composite component can be formed so that it has a Armungstechnikstoffanteil of more than 50 percent by volume. This is particularly advantageous if an intended use of the composite component is favored by a particularly high proportion of reinforcing material in the composite component.
  • the composite component is formed so that the reinforcing material is homogeneously distributed within the composite component.
  • the composite component then consists of a homogeneous matrix composite material with, apart from, for example, a fiber orientation, regular material properties.
  • the composite component can, however, also be designed so that the carbon fibers are distributed heterogeneously within the composite component. This means that portions of the composite component may have a more or less large proportion of reinforcing material. In the case of the dimensionally stable preform, it is possible to selectively determine the proportion of the reinforcing material within the composite component as well as the spatial orientation of the fibers or
  • a composite component can be produced, with embodiments of the composite component resulting from the subclaims relating to method claims 1 or 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei das Verbundbauteil aus einem Matrix-Verbundwerkstoff aus einem Armierungswerkstoff und einem Matrixwerkstoff gebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird, wobei aus dem Armierungswerkstoff ein Vorformling ausgebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff zur Ausbildung des Vorformlings mit dem pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird, wobei der pyrolytische Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschiedenen wird, wobei der Vorformling zumindest teilweise eine offene Porenstruktur aufweist, wobei die offene Porenstruktur mit dem Matrixwerkstoff infiltriert und so das Verbundbauteil ausgebildet wird. Weiter betrifft die Erfindung ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, bei dem der pyrolytische Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschiedenen wird, wobei eine Mischung aus dem Armierungswerkstoff und dem Matrixwerkstoff ausgebildet wird, und wobei durch Sintern der Mischung das Verbundbauteil ausgebildet wird.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES PYROLITICHE
KOHLENSCHICHTE/KOHLENFASERN VERBUNDBAUTEILS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei das Verbundbauteil aus einem Matrix-Verbundwerkstoff aus einem Armierungswerkstoff und einem Matrixwerkstoff gebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird. Die zur Ausbildung von Verbundbauteilen verwendeten Matrix- Verbundwerkstoffe bestehen regelmäßig aus einem zusammenhängenden Matrixwerkstoff, wie beispielsweise eine Metallmatrix und einer aus Partikeln oder Fasern, wie beispielsweise Kohlenstofffasern gebildeten Verstärkung in ihrem Inneren. Diese Verbundbauteile finden aufgrund ihrer hohen Stabilität bei zugleich geringem Gewicht allgemein Verwendung im Leichtbau, wie zum Beispiel im Kraftfahrzeugbau, Flugzeugbau oder in der Raumfahrt. Die die Matrix verstärkenden Fasern können Kurzschnittfasern oder auch Endlosfasern sein. Die Kurzschnittfasern können beispielsweise einer Metallschmelze zugesetzt und mit vergossen werden. Dabei kann es j edoch leicht zu Inhomogenitäten bei der Verteilung des Fasermaterials kommen. So kann sich j e nach Gestalt einer Gieß form oder nach Art des angewendeten Gießverfahrens eine zugegebene Menge Fasern innerhalb des so ausgebildeten Verbundbauteils in unerwünschter Weise ungleichmäßig verteilen. Dies wird insbesondere auch dadurch begünstigt, dass beispielsweise Kohlenstofffasern gegen- über Metall eine wesentlich andere Dichte aufweisen.
Weiter ist es bekannt, kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff als Werkstoff zur Ausbildung eines Verbundbauteils zu verwenden. Bei einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff werden zunächst organische Fasern, wie Aramidfasern oder Kohlenstofffasern mit beispielsweise einem Harz getränkt, wobei das Harz und ggf. die Aramidfasern nachfo lgend pyrolysiert werden. Ein so ausgebildeter Vorformling kann dann allerdings nicht mehr oder nicht mehr vollständig mit einem Metall oder einem anderen geschmolzenen Matrixmaterial infiltriert werden, weil die Zwischenräume zwischen den Fasern dann nahezu vollständig von
Kohlenstoff ausgefüllt sind, der dann die Matrix des Verbundwerkstoffes bildet. Gleichwohl ist es möglich einen Faserverstärkten Kohlenstoff bzw. ein derartiges Verbundbauteil mit einem Metall zu beschichten, wobei dann j edoch nicht die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs erzielt werden können. Beim Vergießen oder Infiltrieren von beispielsweise pyrolysierten Fasern oder Kohlenstofffasern mit Aluminium kann es darüber hinaus zur Bildung von Carbiden bzw. Aluminiumcarbid kommen, was bei einem längeren Verweilzeitraum der Kohlenstofffasern in einer Aluminiumschmelze zur Auflö sung der Kohlenstofffasern führt, was wiederum die mechanischen Festigkeitseigenschaften des so ausgebildeten Verbundbauteils verschlechtert. Die Carbidbildung wird im Wesentlichen durch eine Reaktion des Kohlenstoffs der pyrolysierten Fasern, eines anderen, Kohlenstoff enthaltenden Armierungswerkstoffs oder einer Schicht aus Glaskohlenstoff auf den Fasern oder dem Armierungswerkstoff mit dem Matrixwerkstoff bewirkt. Der vorbeschriebene Effekt tritt auch bei einer Infiltration mit beispielsweise anderen Metallen oder Silizium auf. Grundsätzlich wird eine Bildung von Carbiden, insbesondere in auf hohe Festigkeitseigenschaften ausgelegten Bauteilen als negativ angesehen. Die beim Gießen, Tauchen, Pressen, Sintern oder anderen Herstellungsverfahren vorherrschenden, hohen Temperaturen bewirken j edoch die unerwünschte Carbidbildung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils mit verbesserten
Festigkeitseigenschaften vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An- spruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils wird das Verbundbauteil aus einem Matrix-Verbundwerkstoff aus einem Armierungswerkstoff und einem Matrixwerkstoff gebildet, wobei der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird, wobei aus dem Armierungswerkstoff ein Vorformling ausgebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff zur Ausbildung des Vorform- lings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff beschichtet wird, wobei der pyrolytische Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschieden wird, wobei der Vorformling zumindest teilweise eine offene Porenstruktur aufweist, wobei die offene Porenstruktur mit dem Matrixwerkstoff infiltriert und so das Verbundbauteil ausgebildet wird.
Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Armierungswerkstoff bzw. der daraus ausgebildete Vorformling von dem
Matrixwerkstoff umgeben bzw. ausgefüllt, wobei ein unmittelbarer
Kontakt von dem Armierungswerkstoff mit dem Matrixwerkstoff durch die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff, und damit einer Carbidbildung, verhindert wird. Dabei ist es auch hier zunächst unerheblich, in welcher geometrischen Form der Armierungswerkstoff vorliegt.
Beispielsweise kann es sich um Fasern oder Partikel handeln. Der Armierungswerkstoff wird demnach vollständig von dem pyrolyti- schen Kohlenstoff umgeben, wobei der Armierungswerkstoff an seinen gegenseitigen Kontaktpunkten von Werkstoffpartikelgrenzen oder Fasergrenzen des Armierungswerkstoffs mittels der Beschichtung aus dem pyrolytischen Kohlenstoff miteinander verbunden wird. Da der Armierungswerkstoff mit einer vergleichsweise dünnen Schicht von pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird, verbleibt zwischen den Werkstoffpartikeln oder Fasern des Armierungswerkstoffs noch ein Zwischenraum, der eine ausreichende, für eine Infiltration mit einem Matrixwerkstoff geeignete Porosität des Vorformlings gewährleistet. Der formstabile Vorformling kann so mit dem Matrixwerkstoff infiltriert werden, ohne dass die geometrische Form des Vorformlings aufgelöst oder verändert wird.
Insgesamt kann so eine geometrische Orientierung des Armierungswerk- Stoffs fixiert werden, wobei der Armierungswerkstoff selbst erhalten bleibt und aneinander anhaftet. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil weist dann gegenüber einem herkömmlichen Verbundbauteil verbesserte mechanische Festigkeitseigenschaften, auch im Bezug auf ein vergleichbares Bauteilgewicht, auf. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der pyrolytische Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschieden. Dadurch wird es möglich den Armierungswerkstoff mit einer vergleichsweise dünnen Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff zu beschichten. Weiter ist eine Schichtdicke bei einer Beschichtung aus der Gaspha- se j e nach Bedarf besonders einfach einstellbar. Auch ist es möglich
Armierungswerkstoffe mit nahezu beliebigen Geometrien und Packungsdichten mit pyrolytischem Kohlenstoff zu beschichten, da das betreffende Gas den Armierungswerkstoff gut durchdringen kann.
Wesentlich für die Herstellung eines Verbundbauteils ist, dass der Vorformling mit einer offenen Porenstruktur ausgebildet wird. So wird es möglich, dass der Vorformling leicht mit dem Matrixwerkstoff auf unterschiedliche Art und Weise infiltriert werden kann. Zumindest teilweise geschlossene Porenstrukturen verhindern eine vollständige Infiltrierung des Vorformlings mit Matrixwerkstoff und haben eine Bildung von sich negativ auf eine mechanische Festigkeit des Verbund- bauteils auswirkenden Hohlräumen zur Folge.
Die Infiltration des Vorformlings mit Matrixwerkstoff kann mittels Abscheidung des Matrixwerkstoffs aus der Gasphase erfo lgen. Vorzugsweise kann dann der Matrixwerkstoff als eine mittels eines CVD- Verfahrens und/oder eines CVI-Verfahrens auf dem bereits mit pyrolyti- schem Kohlenstoff beschichteten Armierungswerkstoff erzeugte Abscheidung ausgebildet werden. Die Infiltration durch eine Beschichtung des Armierungswerkstoffs mit Matrixwerkstoff kann so besonders verlässlich durchgeführt werden, da die Infiltration über einen längeren Zeitraum und gesteuert durchgeführt werden kann. Auch ist es möglich mehrere Behandlungsschritte vorzusehen, bei denen der Vorformling mittels des CVD- und/oder CVI-Verfahrens mit Matrixwerkstoff durch Abscheidung aus der Gasphase infiltriert wird.
Alternativ kann die Infiltration mittels einer aus dem Matrixwerkstoff gebildeten Schmelze erfo lgen. So kann ein Verbundbauteil durch Gießen oder Eintauchen in eine Schmelze mit flüssigem Matrixwerkstoff ausgebildet werden, wobei dann der Vorformling während eines Gießvorgangs oder Eintauchvorgangs mit geschmo lzenem Matrixwerkstoff infiltriert wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich den Vorformling in einer Gießform anzuordnen. So kann ein Verbundbauteil mit einer gewünschten geometrischen Form gegossen werden, wobei der Vorformling dann während des Gießvorgangs mit geschmo lzenem Matrixwerkstoff infiltriert werden kann. Beispielsweise können ein oder mehrere Vorformlinge in Art eines Kerns in eine Gießform eingelegt werden, wobei der Vorformling die Gießform vo llständig oder auch nur teilweise ausfüllen kann. Weiter kann der Vorformling so in der Gieß- form angeordnet werden, dass der Vorformling nur abschnittsweise mit Matrixwerkstoff infiltriert wird, das heißt, ein Abschnitt des so erhaltenen Verbundbauteils kann ausschließlich aus beschichteten Armierungswerkstoff ohne Matrixwerkstoff bestehen, wobei ein weiterer Abschnitt des Verbundbauteils beschichteten Armierungswerkstoff mit Matrixwerkstoff umfasst. Das Verbundbauteil kann darüber hinaus auch einen Abschnitt aufweisen, der ausschließlich aus dem Matrixwerkstoff ausgebildet ist. So wird es möglich Verbundbauteile herzustellen, die an Belastungsfälle oder bestimmte Anwendungen angepasste Bauteilab- schnitte aufweisen.
Eine Infiltration des Vorformlings kann mittels Druckguss, Pressgießen oder Vakuumgießen erfolgen. Beispielsweise sind mittels Druckguss besonders maßhaltige Verbundbauteile herstellbar. Durch das Vakuumgießen kann einfach erreicht werden, dass eine vollständige Infiltration des Vorformlings mit Matrixwerkstoff erfolgt. Dadurch, dass der Vorformling formstabil ist, lässt er sich besonders einfach in die vorgenannten Gießverfahren zur Herstellung des Verbundbauteils integrieren.
Der Vorformling kann zumindest teilweise oder vollständig mit geschmo lzenem Metall oder Silizium infiltriert werden. So kann dann eine zusammenhängende Matrix aus Metall erhalten werden, die im Wesentlichen alle Zwischenräume der Porenstruktur des Vorformlings vollständig ausfüllt. In einer besonders einfachen Variante des Verfahrens kann es vorgesehen sein, den Vorformling lediglich durch Eintauchen in eine Schmelze mit dem geschmo lzenen Metall oder Silizium zu infiltrieren. Der Vorformling kann dabei vergleichsweise lange in der Schmelze verbleiben, da eine Auflö sung des Armierungswerkstoffs bzw. eine Carbidbildung aufgrund der Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff verhindert wird. Auch besteht die Möglichkeit den Vorformling mehrfach mit geschmo lzenem Metall oder Silizium zu infiltrieren, um eine voll- ständige Infiltration zu erreichen. Gleiches trifft auf eine Infiltration mittels einer Abscheidung von Metall oder Silizium aus der Gasphase zu. Die mechanischen Festigkeitseigenschaften des Verbundbauteils können demnach dadurch verbessert werden, dass als Armierungswerkstoff technische Fasern verwendet werden, wobei aus den Fasern ein Faserverbund ausgebildet werden kann, und wobei aus dem Faserverbund der Vorformling ausgebildet werden kann. Aus den technischen Fasern wird fo lglich zunächst ein Faserverbund ausgebildet, der eine definierte Geometrie aufweist. Unerwünschte Inhomogenitäten der Fasern im
Verbundbauteil können so vermieden werden. Aus dem Faserverbund kann dann ein formstabiler Vorformling dadurch ausgebildet werden, dass die Fasern des Faserverbunds mit pyrolytischem Kohlenstoff aus der Gasphase beschichtet werden.
Weiter kann es vorgesehen sein, eine zumindest teilweise unidirektionale Orientierung der Fasern des Faserverbundes auszubilden. Beispielsweise können Endlosfasern durch Wickeln, Flechten oder eine andere beliebige Technik in eine gewünschte geometrische Form gebracht werden. Prinzipiell ist es j edoch auch möglich Kurzschnittfasern ohne eine bestimmte räumliche Orientierung für eine Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff zu verwenden. Die Kurzschnittfasern können in Form einer Fasermatte oder eines Vlies vorliegen, wobei die Fasermatte bzw. das Vlies selbst zur geometrischen Formgebung des Vorformlings verwendet werden kann. Bevorzugt können j edoch Fasergewebematten oder Fila- mentgarne zur Ausbildung eines gegebenenfalls mehrlagigen Faserverbundes verwendet werden.
Weiter kann vorgesehen sein den Faserverbund vor der Ausbildung des Vorformlings durch Beschichten zu verpressen. So kann erreicht werden, dass die Fasern dicht aneinander anliegen und ein Volumenanteil an Fasern im Verbundbauteil wesentlich erhöht wird. Dem Faserverbund können beim Verpressen bzw. Pressen Hilfsstoffe zugegeben werden, die den Faserverbund bzw. die Fasern aneinander anhaften lassen und so vorläufig fixieren, ohne eine Porosität des Faserverbundes wesentlich herabzusetzen. Besonders bevorzugt kann der Faserverbund als eine räumlich orientierte Tragstruktur des Verbundbauteils ausgebildet werden, die an einen Lastfall des Verbundbauteils angepasst ist. Idealerweise kann der Faserverbund so im Verbundbauteil angeordnet werden bzw. die Fasern können so im Verbundbauteil ausgerichtet werden, dass bei einer vorgesehenen Verwendung des Verbundbauteils Kräfte bzw. Spannungen innerhalb des Verbundbauteils im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckung der Fasern verlaufen, um eine größtmögliche mechanische Festigkeit des Verbundbauteils zu erzielen. Ein beispielsweise primär zugbelastetes Verbundbauteil kann dann eine Tragstruktur aus Fasern aufweisen, die in Richtung der Zugspannungen räumlich orientiert sind. Je nach vorgesehenem Lastfall des Verbundbauteils können die Fasern des Faserverbundes auch in einer Kombination von unterschiedlichen räumlichen Orientierungen angeordnet sein. Verbundbauteile mit besonders komplexen geometrischen Formen werden besonders einfach herstellbar, wenn eine Tragstruktur des Verbundbauteils durch eine Mehrzahl von Vorformlingen ausgebildet wird. So können einzelne Vorformlinge ausgebildet werden, die zu einer Tragstruktur des Verbundbauteils zusammengesetzt werden. Beispielsweise können die Vorformlinge dann formschlüssig ineinander greifen oder auch unabhängig voneinander innerhalb des Verbundbauteils angeordnet werden. Damit wird es dann möglich Verbundbauteile mit nahezu beliebigen Geometrien herzustellen, da eventuelle geometrische Beschränkungen bei der Ausbildung eines Faserverbundes aus Fasern oder einer Form zum Sintern nicht mehr zwangsläufig berücksichtigt werden müssen. Auch ist es denkbar einen Vorformling vor einer Infiltration oder einem Sintern mechanisch, zum Beispiel spanend zu bearbeiten um eine gewünschte geometrische Form der Tragstruktur bzw. des Vorformlings oder Grünlings zu erhalten. Dies wird insbesondere dann möglich, wenn der Vorformling durch die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff formstabil ist. Bei dem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils wird das Verbundbauteil aus einem Matrix- Verbundwerkstoff aus einem Armierungswerkstoff und einem Matrixwerkstoff gebildet, wobei der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird, wobei der pyrolytische Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschieden wird, wobei eine Mischung aus dem Armierungswerkstoff und dem Matrixwerkstoff ausgebildet wird, wobei durch Sintern der Mischung das Verbundbauteil ausgebildet wird. Insbesondere bildet der aus der Gasphase abgeschiedene pyrolytische
Kohlenstoff im Unterschied zu einem aus Harz pyrolysierten Glaskohlenstoff eine Schutzschicht auf dem Armierungswerkstoff aus, die eine Bildung von Carbiden, und damit ein Auflösen des Armierungswerkstoffs, verhindert. Darüber hinaus bewirkt die Beschichtung mit pyrolyti- schem Kohlenstoff aus der Gasphase eine verbesserte Benetzbarkeit des Armierungs Werkstoffs.
Prinzipiell ist es zunächst unerheblich, in welcher festen Form der Armierungswerkstoff vorliegt. Wesentlich ist, dass der Armierungswerkstoff vor der Mischung mit dem Matrixwerkstoff mit dem pyrolytischen Kohlenstoff beschichtet wird. Bei dem Sintern kommt es dann infolge von Druck und Temperatur zu einem zumindest teilweise oder vollständigen Schmelzen des Matrixwerkstoffs, wobei der Matrixwerkstoff dann eine miteinander verbundene Matrix ausbildet, die durch den Armierungswerkstoff verstärkt ist. Wesentlich ist weiter, dass bei dem Verfah- ren der Armierungswerkstoff trotz hoher Temperaturen beim Sintern vo llständig erhalten bleibt und auch die als nachteilig angesehene Bildung von Carbiden durch die Beschichtung des Armierungswerkstoffs mit pyrolytischem Kohlenstoff aus der Gasphase verhindert wird. Vorzugsweise kann eine homogene Mischung aus dem Armierungswerkstoff und dem Matrixwerkstoff ausgebildet werden. Als Armierungswerkstoff können neben einfachen Partikeln in Pulverform auch Kurzschnittfasern oder Nanoröhren verwendet werden. Kurzschnittfasern oder Nanoröhren können beispielsweise mit einem Matrixwerkstoff, der in Pulverform vorliegt, besonders einfach gemischt werden. Auch ist ebenfalls eine Beschichtung von Kurzschnittfasern mit pyrolytischem Kohlenstoff aus der Gasphase leicht möglich.
Vorteilhaft kann vor dem Sintern durch Kaltpressen der Mischung ein Vorformling bzw. Grünling ausgebildet werden. Der Mischung kann dann auch ein Haftvermittler zugesetzt werden. Beim nachfo lgenden Sintern kann dann der Matrixwerkstoff den Armierungswerkstoff bzw. dessen Fasern oder Partikel vollständig umgeben und diesen einschließen, ohne dass der Armierungswerkstoff durch die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff tatsächlich mit dem Matrixwerkstoff in Kontakt gelangt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verbundbauteil frei von Carbiden ausgebildet wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff aus der Gasphase soweit beschichtet wird, dass der Armierungswerkstoff nicht mehr mit dem Matrixwerkstoff unmittelbar in Kontakt gelangen kann. Der aus der Gasphase abgeschiedene pyrolytische Kohlenstoff bildet dann eine Schutzschicht auf dem Armierungswerkstoff aus, die eine mögliche
Carbidbildung infolge eines Kontaktes von Armierungswerkstoff mit dem Matrixwerkstoff wirkungsvoll verhindert.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Matrix- Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern als Armierungswerkstoff und einem Metall oder einer Metalllegierung als Matrixwerkstoff gebildet werden. So können dann beispielsweise mit Kohlenstofffasern verstärkte Bauteile aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt werden, die besonders leicht sind und verbesserte mechanische Festigkeitseigenschaften aufweisen. Gleichwohl ist es mö glich, anstelle eines Metalls auch beispielsweise Silizium oder einen anderen geeigneten Werkstoff als Matrixwerkstoff zu verwenden. Eine Infiltration des Vorformlings oder Mischung mit dem Armierungswerkstoff kann mit Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer oder einer Legierung eines dieser Metalle erfolgen. Prinzipiell ist für eine Infiltration oder Mischung j edes Metall bzw. j ede Legierung geeignet, das bzw. die einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht zur Auflö sung der pyrolyti- schen Kohlenstoffbeschichtung der Kohlenstofffasern führt. Insbesondere Aluminium eignet sich besonders aufgrund seines geringen Gewichts und seiner guten Verarbeitbarkeit als Matrixwerkstoff für Leichtbau- Verbundbauteile. Bei einer Mischung mit dem Armierungswerkstoff ist es vorteilhaft, wenn das Metall in Pulverform vorliegt.
Vorzugsweise kann der pyro lytische Kohlenstoff als eine mittels eines CVD-Verfahrens oder eines CVI-Verfahrens auf dem Armierungswerkstoff erzeugte Abscheidung ausgebildet werden. Die Beschichtung des Armierungswerkstoffs mit pyrolytischem Kohlenstoff kann so besonders einfach durchgeführt werden. Auch ist es möglich mehrere Behandlungsschritte vorzusehen, bei denen der Werkstoffverbund mittels des CVD- oder/und CVI-Verfahrens mit pyrolytischem Kohlenstoff durch Abscheidung aus der Gasphase beschichtet wird.
Vorteilhaft kann der beschichtete Armierungswerkstoff mit einer weite- ren Beschichtung aus Siliziumcarbid versehen werden. So wird es möglich die mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils in gegebenenfalls gewünschter Weise zu verändern, und, beispielsweise bei einer Verwendung von Aluminium als Matrixmaterial, eine unerwünschte chemische Reaktion des Aluminiums bei einer Infiltration zu vermeiden. In einer Ausführungsform des Verfahrens kann das Verbundbauteil so ausgebildet werden, das es einen Matrixwerkstoffanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn entsprechend der vorgesehenen Verwendung des Verbundbauteils sich ein höherer Matrixwerkstoffanteil besonders günstig auf dessen Eigen- Schäften auswirkt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Verbundbauteil so ausgebildet werden, das es einen Armierungswerkstoffanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine vorgesehene Verwendung des Verbundbauteils durch einen besonders hohen Armierungswerkstoffanteil im Verbundbauteil begünstigt wird.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass der Armierungswerkstoff innerhalb des Verbundbauteils homogen verteilt ist. Das Verbundbauteil besteht dann aus einem homo- genen Matrix-Verbundwerkstoff mit, von beispielsweise einer Faserorientierung abgesehen, regelmäßigen Materialeigenschaften.
Das Verbundbauteil kann j edoch auch so ausgebildet werden, dass die Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils heterogen verteilt sind. Dies bedeutet, dass Abschnitte des Verbundbauteils einen mehr oder weniger großen Anteil an Armierungswerkstoff aufweisen können. Im Falle des formstabil ausgebildeten Vorformlings ist es möglich den Anteil des Armierungswerkstoffs innerhalb des Verbundbauteils sowie auch die räumliche Orientierung der Fasern gezielt festzulegen bzw.
vorzubestimmen, um die mechanischen Eigenschaften des Verbundbau- teils zu beeinflussen.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Verbundbauteil herstellbar, wobei sich Ausführungsformen des Verbundbauteils aus den auf die Verfahrensansprüche 1 oder 1 1 rückbezogenen Unteransprüchen ergeben.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei das Verbundbauteil aus einem Matrix-Verbundwerkstoff aus einem Armierungswerkstoff und einem Matrixwerkstoff gebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass aus dem Armierungswerkstoff ein Vorformling ausgebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff zur Ausbildung des Vorformlings mit dem pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird, wobei der pyrolyti- sche Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschiedenen wird, wobei der Vorformling zumindest teilweise eine offene Porenstruktur aufweist, wobei die offene Porenstruktur mit dem Matrixwerkstoff infiltriert und so das Verbundbauteil ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Infiltration mittels Abscheidung des Matrixwerkstoffs aus der Gasphase erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Infiltration mittels einer aus dem Matrixwerkstoff gebildeten Schmelze erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Vorformling in einer Gießform angeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Infiltration mittels Druckguss, Pressgießen oder Vakuumgießen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Vorformling zumindest teilweise oder vollständig mit geschmolzenem Metall oder Silizium infiltriert wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Armierungswerkstoff technische Fasern verwendet werden, wobei aus den Fasern ein Faserverbund ausgebildet wird, wobei aus dem Faserverbund der Vorformling ausgebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zumindest teilweise unidirektionale Orientierung der Fasern des Faserverbundes ausgebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Faserverbund verpresst wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Faserverbund als eine räumlich orientierte Tragstruktur des Verbundbauteils ausgebildet wird, die an einen Lastfall des Verbundbauteils angepasst ist.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei das Verbundbauteil aus einem Matrix-Verbundwerkstoff aus einem Armierungswerkstoff und einem Matrixwerkstoff gebildet wird, wobei der Armierungswerkstoff mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet wird,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der pyrolytische Kohlenstoff auf dem Armierungswerkstoff aus der Gasphase abgeschiedenen wird, wobei eine Mischung aus dem Armierungswerkstoff und dem Matrixwerkstoff ausgebildet wird, wobei durch Sintern der Mischung das Verbundbauteil ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Armierungswerkstoff Kurzschnittfasern oder Nanoröhren verwendet werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Sintern durch Kaltpressen der Mischung ein Vorform- ling ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil frei von Carbiden ausgebildet wird.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Matrix-Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern als Armierungswerkstoff und einem Metall oder einer Metalllegierung als Matrixwerkstoff gebildet wird.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass als Matrixwerkstoff Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer oder eine Legierung eines dieser Metalle verendet wird.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der pyrolytische Kohlenstoff als eine mittels eines CVD- Verfahrens oder eines CVI-Verfahrens auf dem Armierungswerkstoff erzeugte Abscheidung ausgebildet wird.
18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der beschichtete Armierungswerkstoff mit einer weiteren Be- schichtung aus Siliziumkarbid versehen wird.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass es einen Matrixwerkstoffanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass es einen Armierungswerkstoffanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist.
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