"Reibeinheit"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Reibeinheit zum reibenden Eingriff mit einem Gegenkörper, insbesondere Brems- oder Kupplungskörper, mit mindestens einer frei zugänglichen Reibfläche, die aus einem kohlen- stoffaserverstärkten, porösen Kohlenstoffkörper gebildet ist, dessen Poren zumindest teilweise mit Silizium und Siliziumkarbid gefüllt sind.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Reibeinheit zum reibenden Eingriff mit einem Gegenkörper, insbeson¬ dere von Brems- oder Kupplungskörpern, bei dem ein kohlenstoffaserver¬ stärkter, poröser Kohlenstoffkörper bereitgestellt und mit flüssigem Silizium bei einer Temperatur im Bereich von 1410 ^β C bis 1700 ^β C in einer eingestellten Atmosphäre infiltriert wird.

Solche Reibeinheiten bzw. ein Verfahren zu deren Herstellung wurden von einer Arbeitsgruppe der DLR (Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.), Stuttgart, Institut für Bauweisen- und Konstruktions¬ forschung, auf dem VDI-Werkstofftag 1994 in Duisburg am 09./10.03.1994, der unter der Thematik "Leichtbaustrukturen und leichte Bauteile" stand, im Rahmen des Vortrags "Entwicklung integraler Leichtbaustrukturen aus Faserkeramik" vorgestellt. Im Rahmen dieses Vortrags wurde eine Technolo¬ gie zur Herstellung von kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffen vorge-

stellt. Die kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffe werden nach einem sogenannten "Flüssig-Silizier-Verfahren" mit flüssigem Silizium infil¬ triert und einer Wärmbehandlung unterworfen, wobei das Silizium sich mit Kohlenstoff zu SiC umwandelt. Ein mögliches Anwendungsgebiet dieser C/C-SiC-Werkstoffe sind unter anderem Bremsscheiben.

An Bremsen, insbesondere 1m Kraftfahrzeug- und Flugzeugbau, werden zuneh¬ mend höhere Anforderungen gestellt. Die Geschwindigkeiten, die heutzutage mit solchen Fahrzeugen erzielt werden, nehmen ständig zu. Beim Abbremsen wird diese kinetische Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt, die durch die Bremsscheibe und die Bremsbeläge absorbiert wird. Eine solche Bremsenanordnung ist demzufolge durch die Reibungscharakteristiken des Bremsenmaterials und seine Eigenschaft, Wärme zu speichern und abzufüh¬ ren, begrenzt. Allgemein müssen Bremsmaterialien sehr gute thermomechani- sche Eigenschaften, hohe und konstante Reibungscharakteristiken und eine gute Abrasionsbeständigkeit besitzen, übliche Bremsscheiben aus Gußeisen oder Stahl, die heutzutage im normalen Automobilbau eingesetzt werden, ermöglichen Temperaturen von ungefähr 650 ^β C. In den letzten Jahren ent¬ wickelte Bremsen aus kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffmateria¬ lien (C/C), wie sie beispielsweise in der DE-Al 3024200 beschrieben sind, ermöglichen Temperaturen bis zu 1000 ^β C, verbunden mit einer gegen¬ über Gußbremsscheiben erzielbaren Gewichtsverringerung.

Solche Kohlenstoffbremsscheiben haben sich inzwischen im Rennwagenbau und Flugzeugbau durchgesetzt und etabliert. Problematisch hierbei ist neben einigen tribologischen Eigenschaften der hohe Kostenfaktor, unter dem die Bremsscheiben herzustellen sind, der auf dem Gebiet des Rennwagenbaus und des Flugzeugbaus derzeit akzeptiert wird, allerdings nicht für den allge¬ meinen Fahrzeugbau tragbar ist.

Auf der vorstehend angeführten VDI-Tagung wurde, wie angeführt, ein C/C-SiC-Werkstoff vorgestellt, der gegenüber einem C/C-Werkstoff deut¬ liche Vorteile vor allem in Bezug auf Thermoschockbeständigkeit, Oxida- tionsbeständigkeit, Feuchteaufnahme und Reibverhalten zeigt.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Reibeinheit sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Reibeinheit anzugeben, in Verbin¬ dung mit der zum einen die Vorteile erzielt werden, die mit den C/C-S1C-Werkstoffen verbunden sind, mit denen zum anderen eine kosten¬ günstige Herstellung möglich ist, so daß diese Reibeinheiten insbesondere für den allgemeinen Fahrzeugbau unter dem Kostenaspekt einsetzbar sind.

Die Aufgabe wird hinsichtlich einer Reibeinheit der eingangs beschrie¬ benen Art dadurch gelöst, daß sie aus mindestens einem Kernkörper und mindestens einem mit diesem fest verbundenen Reibkörper gebildet ist, wobei der Reibkörper mit dem Kernkörper auf seiner der Reibfläche abge¬ kehrten Seite verbunden ist und wobei beide Körper über eine hochtempera¬ turbeständige Verbindungsschicht miteinander möglichst formschlüssig verbunden sind.

Hinsichtlich des Verfahrens der eingangs beschriebenen Art wird die Auf¬ gabe dadurch gelöst, daß mindestens ein weiterer Körper bereitgestellt wird, der mit dem siHzlum-infiltrierten Körper über eine hochtemperatur¬ beständige Verbindungsschicht verbunden wird, wobei der Kohlenstoffkörper einen Reibkörper und der andere Körper einen Kernkörper bildet.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, eine solche Reibeinheit mehr¬ teilig aufzubauen, so daß die einzelnen Bereiche einer Reibeinheit den jeweiligen Anforderungen im Einsatz angepaßt werden können. Hierbei Ist eine solche Reibeinheit in mindestens einen Kernkörper und mindestens einen Reibkörper unterteilt, wobei letzterer aus kohlenstoffaserverstärk¬ ten, porösen Kohlenstoffkörpern, deren Poren zumindest teilweise mit Silizium und Siliziumkarbid gefüllt sind, gebildet ist, und diese beiden Körper zu einer Einheit miteinander verbunden werden. Der Reibkörper kann in seiner Beschaffenheit, d.h. seinem Reibungskoeffizienten sowie seiner Abrasionsbeständigkeit, den erwünschten Anforderungen angepaßt werden. Der Kernkörper dagegen wird so aufgebaut, daß er zum einen als Träger für den Reibkörper geeignet, d.h. eine hohe mechanische Stabilität aufweist,

weiterhin Aufnahme-, Adapter- und Verbindungsteile aufnimmt, um ihn an einer feststehenden oder drehenden Einheit zu halten, und schließlich so in seinen Materialeigenschaften angepaßt wird, daß er die entstehende Wärme gut speichert und schnell abführt. Weiterhin ist durch diesen mehr¬ teiligen Verbundaufbau die Möglichkeit gegeben, von Zeit zu Zeit den abgenutzten Bereich des Reibkörpers dadurch zu ersetzen, daß der verblei¬ bende Kernkörper mit einem neuen Reibkörper verbunden wird. Durch diese Wiederverwendung des Kernkörpers können die Kosten solcher Reibeinheiten durch einfachen Ersatz des abgenutzen, abgeriebenen Teils erheblich ver¬ ringert werden. Darüberhinaus können die Kosten im Rahmen einer Massen¬ herstellung durch die Untergliederung einer Reibeinheit in die einzelnen Körper, d.h. Kernkörper und Reibkörper, mit den angepaßten Materialeigen¬ schaften insbesondere dann verringert werden, wenn solche Reibeinheiten strukturiert werden müssen. Es sind hierzu keine komplizierten Nachbear¬ beitungsvorgänge erforderlich, da die Teile der Reibeinheit, d.h. der Kernkörper und der Reibkörper, einzeln vorgefertigt und profiliert und erst anschließend an einer gemeinsamen, glatten oder eventuell verzahnten Verbindungsfläche miteinander verbunden werden. Die Technik der Herstel¬ lung von C/C-SiC-Körper, die nachfolgend noch näher erläutert wird, er¬ laubt, solche Teile in einem "grünen" Zustand vorzuformen und zu profi¬ lieren, anschließend mit flüssigem Silizium zu infiltrieren und im Rahmen einer Wärmebehandlung zu keramisieren. In grünem Zustand lassen sich diese Formkörper sehr einfach profilieren. Beispielsweise kann der Kern¬ körper mit entsprechenden Befestigungsprofilierungen ausgestattet und außerdem können Halteelemente in diesen Kernkörper mit eingebaut werden. Im Gegensatz dazu wird der Reibbelag in seiner einfachsten Version als beidseltig glatte, kreisringförmige Scheibe ausgebildet. Eventuelle Be¬ lüftungsöffnungen innerhalb einer solchen Reibeinheit können entweder in die Fläche des Kernkörpers, die später mit dem Reibkörper verbunden wird, oder aber in der Verbindungsfläche des Reibkörpers eingearbeitet werden. Durch die Erfindung wird also in einfacher Weise eine Funktionstrennung von teurem Reibvolumen und billigem Kernvolumen erreicht, darüberhinaus eine Optimierung hinsichtlich der dem Reibvolumen und dem Kernvolumen zugeordneten mechanischen und thermischen Eigenschaften ermöglicht. Es

hat sich gezeigt, daß zur Verbindung der beiden Körper, d.h. des Kernkör¬ pers mit dem Reibkörper, keine artfremden Materialien eingesetzt werden müssen. Vielmehr wird eine Verbindungsschicht eingesetzt, die im wesent¬ lichen Siliziumkarbid enthält. Zum Verbinden der beiden Körper sind hier¬ zu verschiedene Möglichkeiten gegeben. Zum einen können bei einer Her¬ stellung einer neuen Reibeinheit aus einem Kernkörper und mindestens einem Reibkörper diese beiden Körper vorteilhafterweise als kohlen¬ stoffaserverstärkte, poröse Kohlenstoffkörper vorbereitet werden und anschließend mit Silizium infiltriert werden, wobei diese beiden Körper im Bereich der Verbindungsschicht nach Temperaturbehandlung miteinander verbunden werden. Eine andere Möglichkeit ist dadurch gegeben, daß die beiden Körper, d.h. der Kernkörper und der Reibkörper, als bereits mit Silizium und Siliziumkarbid gefüllte, keramisierte Ausgangskörper bereit¬ gestellt werden, diese beiden Ausgangskörper im Bereich ihrer Verbin¬ dungsfläche aufeinandergelegt werden und der Spalt mit Silizium gefüllt wird. Hierzu ist eine Technik bevorzugt, in der dieser Spalt mit Silizium infiltriert und anschließend die gesamte Einheit einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wobei Temperaturen im Bereich von 1410 ^β C bis 1700 ^β C angewandt werden. Eine solche Technik der Verbindung bereits endbearbei- teter Körper ist dann anzuwenden, wenn eine abgenutzte Reibeinheit, bei der also der Kernkörper, eventuell mit einer nur noch dünnen, vorhandenen Schicht des Reibkörpers, verbleibt, mittels eines neuen Reibkörpers er¬ neuert wird. Um das Infiltrieren des flüssigen Siliziums im Bereich der Verbindungsschicht zu fördern, kann vor der Infiltration zwischen dem Reibkörper und dem Kernkörper eine Einlage aus einem porösen, pyrolysier- baren Material auf Zellulosebasis zwischengefügt werden. Vorzugswelse besteht diese Einlage aus Papier, Pappe und/oder Papierfilz mit einer hohen Porosität, wobei die Dicke vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 1 mm liegt. Eine solche Zwischenschicht wird dann mit flüssigem Silizium infiltriert und anschließend die vorbereitete Einheit der Wärmebehandlung unterworfen. Um den Infiltrationsvorgang zu beschleunigen und die Infil¬ tration darüberhinaus 1n der Zwischenschicht zu vergleichmäßigen, kann im Bereich der zu bildenden Schicht ein Druckgradient während der Infiltra¬ tion erzeugt bzw. aufrechterhalten werden, beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums. - -

Als Einlage kann auch ein Kohlenstoff-Vlies oder eine Kohlenstoffmatte verwendet werden. Vorzugsweise werden mit solchen Einlagen im Bereich der Verbindungsstelle Unterschiede in den Spalten ausgeglichen. Hierfür ist insbesondere das Material auf Zellulosebasis geeignet. Eine Einlage aus einer Kohlenstoffmatte bzw. aus einem kohlenstoffhaltigen Fasermaterial ist dann zu wählen, wenn im Spalt die Fließrichtung und die Fließge¬ schwindigkeit beeinflußt werden soll. Es Ist allerdings an dieser Stelle hervorzuheben, daß die beiden erwähnten Materialien als Einlage zum grö߬ ten Teil nach der Infiltration mit flüssigem Silizium und der Wärmebe¬ handlung zu SiC reagieren und damit eine unlösbare Verbindung entsteht. Eine solche Verfahrensweise zum Verbinden der beiden Körper ist dann heranzuziehen, wenn eine Reibeinheit zu einem beliebigen Zeitpunkt mit einem neuen Reibkörper versehen werden soll, ohne daß der alte Reibkörper in irgendeiner Weise vollständig entfernt wird.

Normalerweise wird keine Einlage zwischengefügt, sondern nur ein defi¬ nierter Spalt zwischen dem Reibkörper und dem Kernkörper mit einer Dicke von 0,1 bis 0,5 mm belassen. In diesem Spalt wird flüssiges Silizium eingefüllt und kera isiert. Die Verbindungsschicht weist dann im kera i- sierten Zustand im wesentlichen Silizium auf, das durch Wiedererwärmen auf Schmelztemperatur (für Si bei 1420 ^β C) verflüssigt werden kann, so daß Reibkörper und Kernkörper voneinander wieder trennbar sind. Das Sili¬ zium wirkt in diesem Fall als Hartlot.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß mit der angege¬ benen Verfahrensweise auch mehrfach aufgebaute bzw. mehrschichtige Reib¬ einheiten hergestellt werden können, wobei beispielsweise ein Kernkörper an zwei zueinander gegenüberliegenden Flächen mit jeweils einem Reibkör¬ per jeweils über eine überwiegend Siliziumkarbid enthaltende Verbindungs¬ schicht verbunden wird. Weiterhin können wechselweise Kernkörper und Reibkörper miteinander verbunden werden, um eine mehrschichtige Reibein¬ heit zu bilden, wobei jeweils die einzelnen Reibkörper über den Umfang der entsprechenden Kernkörper vorstehen, so daß in die Reibflächen der

Reibkörper von außen eingegriffen werden kann. Im Rahmen dieses modular¬ tigen Aufbaus ist es lediglich erforderlich, Reibkörper und Kernkörper zu bevorraten, um diese dann in gewünschter Folge miteinander zu verbinden. Bei den Reibkörpern kann es sich auch um solche handeln, die später auf einen Kernkörper aufgebracht werden, wenn der ursprüngliche Reibkörper abgenutzt Ist.

Bevorzugt sollte der Kernkörper eine Porosität von 5 bis 50 , insbeson¬ dere im Bereich von 10 bis 30% aufweisen. Diese Poren werden dann mit Silizium infiltriert, das unter Wärmebehandlung zu Siliziumkarbid umge¬ wandelt wird. Die Restporosität sollte weniger als 10% betragen, um die¬ sen Kernkörper mechanisch stabil, allerdings gleichzeitig so elastisch zu gestalten, daß er den Anforderungen als Träger eines Reibkörpers im Ein¬ satz als Kupplungs- oder Bremseinheit genügt.

Um die Wärmeleitfähigkeit des Reibkörpers und/oder des Kernkörpers zu erhöhen, muß darauf geachtet werden, daß Kohlenstoff-Fasern in Dicken¬ richtung in einem Anteil von 3 bis 10% bezogen auf den Gesamt-Faseranteil vorhanden sind; dies kann durch Verwendung von dreidimensionalen Faserge¬ rüsten oder durch Vernähen von zweidimensionalen Geweben mittels Kohlen¬ stoff-Nähgarn erzielt werden.

Um den Reibkörper seinen Anforderungen im Einsatz anzupassen, werden in den kohlenstoffaserverstärkten, porösen Kohlenstoffkörper relbwertmln- dernde oder reibwerterhöhende Zusätze eingelagert. Hierbei wird als reib- wertmlndernder Zusatz zum Beispiel Bornitrid und/oder Aluminiumphosphat verwendet, während als reibwerterhöhender Zusatz zum Beispiel ein Sili¬ ziumkarbid-Pulver mit einer Körnung von 0,3 bis 3,0 ^um in die Poren eingelagert wird. Durch reibwerterhöhende Zusätze wird der Reibungsko¬ effizient heraufgesetzt. Der reibwerterhöhende Zusatz in Form von Sili¬ ziumkarbid-Pulver hat den Vorteil, daß diese Körnung bzw. dieses Pulver an definierten Stellen dort in dem Reibkörper eingelagert werden kann, wo ein erhöhter Reibwert erwünscht ist.

Es hat sich allerdings herausgestellt, daß solche Reibkörper, wie sie vorstehend beschrieben sind, unter bestimmten Einsatzbedingungen zu einer hohen Geräuschentwicklung, d.h. zu einem Quietschen, neigen. Eine solche Geräuschentwicklung ist im Fahrzeugbau nicht akzeptierbar. Aus diesem Grund ist die Einlagerung von reibwertmindernden Zusätzen in Form des vorstehend angegebenen Bornitrids und/oder Aluminiumphosphats hilfreich, die dazu führt, daß ein solches Quietschen unterbunden werden kann.

Es ist auch denkbar, daß der Reibkörper in verschiedenen Bereichen unter¬ schiedliche Zusätze enthält, also in einem Bereich reibwerterhöhende Zusätze und in einem anderen Bereich relbwertmindernde Zusätze, bei¬ spielsweise unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Winkelgeschwin¬ digkeiten verschiedener Bereiche eines scheibenartigen, sich drehenden Reibkörpers.

Der Kernkörper kann in kostengünstiger Weise aus porösem Kohlenstoff oder zumindest teilweise aus Kohlenstoffasern hergestellt werden. Durch den Einsatz dieser Materialien für den Kernkörper können die Kosten für den Kernkörper verringert werden. Falls der gesamte Kernkörper aus Kohlenstoffasern gebildet wird, sollten die einzelnen Lagen der Fasern aufeinandergestapelt oder gewickelt werden, wobei die Orientierung der Fasern in benachbarten Lagen unterschiedlich sein kann, gerichtet oder ungerichtet. Bevorzugt liegt die Faserlänge zwischen 1 und 10 mm, so daß sich eine gut vernetzte, poröse Struktur eines Vorkörpers ergibt, der anschließend mit Silizium infiltriert wird. Andererseits kann der Kernkorper auch aus Siliziumkarbid oder einer Mischung aus Silizium¬ karbid und Graphit gebildet werden. In Form des Siliziumkarbids wird ein billiges Material eingesetzt, das darüberhinaus eine hohe Wärmeleitfähig¬ keit besitzt und demnach den Anforderungen eines Kernkörpers gerecht wird.

Vorzugsweise liegt der Gehalt der Verbindungsschicht an Siliziumkarbid in der fertiggestellten Reibeinheit oberhalb 50%. Hierdurch wird ein guter Wärmeübergang zwischen der Reibeinheit, in der die Wärme erzeugt wird, und dem Kernkörper, der die Wärme speichern und abführen soll, erzielt.

Weiterhin ist es als bevorzugt anzusehen, eine Verbindungsschicht zu bilden, die einen Schlickerzusatz aufweist, der aus einem organischen Bindemittel mit einem Restkohlenstoffgehalt von mindestens 40% und ein feinkörniges Pulver aus Kohlenstoff und/oder Silizium aufweist, wobei der Bindemittelanteil zwischen 10 und 50% beträgt. Als Bindemittel kann hier¬ bei zum Beispiel Phenol eingesetzt werden. Hierdurch wird erreicht, daß die Menge des zugesetzten Kohlenstoff-Pulvers gering gehalten und eine hohe Ausbeute an SiC erhalten werden kann.

Die Herstellung eines C/C-S1C-Körpers kann kurz wie folgt zusammengefaßt dargestellt werden:

Zunächst erfolgt die Herstellung eines porenfreien und homogenen kohlen¬ stoffaserverstärkten Kohlenstoffkörpers als Vorkörper, bestehend aus kohlenstoffreichen Polymeren als Matrices und Endlosfasern. Im zweiten Fertigungsschritt erfolgt die thermische Umwandlung der Matrix durch Pyrolyse zu glasartigem Kohlenstoff, was zu einem kohlenstoffaserver¬ stärkten, porösen Kohlenstoffkörper mit translaminaren Kanälen führt. Im dritten Fertigungsschritt wird in die Poren flüssiges Silizium infiltriert, das unter Wärme mit dem Kohlenstoff der Matrix zu Silizium¬ karbid reagiert. Alle Fertigungsschritte werden nur einmal durchlaufen, im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren; das Ergebnis ist eine dichte Gefügestruktur bestehend aus hochfesten Kohlenstoff-Faserbündeln und oxidationshemmenden S1l1ziumkarb1dschutzschichten, von denen diese Faser¬ bündel umgeben werden.

Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich¬ nung. In der Zeichnung zeigt

Figur 1A eine Photographie einer C/C-SiC-Bremsscheibe für ein Kraft¬ fahrzeug,

Figur 1B eine Darstellung eines Bremsklotzes,

Figur 2 eine Photographie einer Mehrscheibenbremsanordnung wie sie zum Beispiel für Flugzeuge eingesetzt werden kann;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Kernkörpers und zwei Reib¬ körper im Schnitt vor ihrer Zusammenfügung mit einer Außenkon¬ figuration entsprechend Figur 1,

Figur 4 die einzelnen Körper der Figur 3 nach dem Zusammenfügen,

Figur 5A und 5B eine der Anordnung der Figuren 3 und 4 ähnliche Reib¬ einheit, in der Kühlkanäle gebildet sind,

Figur 6 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Reibeinheit mit zwei Reibkörpern, die über vier Kernkörper miteinander verbunden sind,

Figur 7 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen

Bremsscheibe mit einer profilierten Aufnahmeseite sowie einem fahrzeugseitigen Adapterteil in einer Explosionsdarstellung, und

Figur 8 eine Kupplungs-Reibeinheit für ein Kraftfahrzeug in einer perspektivischen Ansicht mit einer Druckplatte vor dem Zusam¬ menbau.

Eine erfindungsgemäße Reibeinheit zur Verwendung als Brems- oder Kupp¬ lungskörper, wie dies die Figur 1 und die Figur 7 zeigen, ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Diese Reibeinheit weist einen Kernkörper 1

sowie zwei Reibkörper 2 auf. Solche Körper 1, 2 sind als flache Scheiben mit einer mittlgen Durchgangsöffnung 3 gefertigt. Der Kernkörper 1 und der Reibkörper 2 sind, entsprechend Figur 3, aus einem kohlenstoffaser¬ verstärkten, porösen Kohlenstoffkörper hergestellt, der mit flüssigem Silizium bei einer Temperatur im Bereich von 1.410°C bis 1.700 ^β C in einer eingestellten Atmosphäre infiltriert wird. Diese so vorgefertigten Kör¬ per 1, 2 werden dann in der in Figur 4 dargestellten Anordnung, in der die beiden Reibkörper zweiflächig auf dem Kernkörper 1 aufliegen und die einzelnen Durchgangsöffnungen 3 zueinander ausgerichtet sind, über eine Verbindungsschicht 4 miteinander verbunden. Die Verbindungsschicht 4 ist eine im wesentliche Siliziumkarbid enthaltende Schicht. Zum Verbinden werden die einzelnen vorgefertigen Körper 1, 2 flächig aufeinandergelegt, in eine Konditioniereinheit eingefügt, und es wird in dem Spalt zwischen den einzelnen Körpern 1, 2 flüssiges Silizium infiltriert und dann kera- misiert. In dem Fall, wo die miteinander zu verbindenden Flächen des Kernkörpers 1 und der beiden Reibkörper 2 einen zu großen Spalt im Be¬ reich der Verbindungsstelle besitzen, wird eine Einlage 5, wie dies in Figur 3 angedeutet ist, aus einem porösen, pyrolysierbaren Material auf Zellulosebasis eingelegt, vorzugsweise eine Pappe oder ein Papierfilz mit einer hohen Porosität. Diese Einlage 5 sollte eine Dicke zwischen 0,1 und 0,5 mm haben. Nach der Infiltration wird diese Einlage 5 bei der Pyrolyse verbrannt und vollständig in Kohlenstoff bzw. mit dem infiltrierten Sili¬ zium zu S1C umgesetzt. Aufgrund der Artgleichheit der Verbindungs¬ schicht aus SiC mit der Füllung der Poren der Reibkörper 2 und des Kernkörpers 1 aus S1C wird eine hochfeste Verbindung zwischen den einzel¬ nen Teilen erzielt; die Festigkeit der Einheit an der Verbindungsstelle entspricht der Gesamtfestigkeit der Reibeinheit.

Als Einlage 5 kann auch ein Kohlenstoff-Vlies oder eine Kohlenstoffmatte verwendet werden. Auch ist es möglich, die beiden Körper formschlüssig miteinander zu verbinden, beispielsweise durch Verstiften mit Bolzen aus Kohlenstoff oder SiC.

Vorzugsweise weist die Verbindungsschicht 4 einen Schlickerzusatz auf, der aus einem organischem Bindemittel mit einem Restkohlenstoffgehalt von

mindestens 40% und einen feinkörnigen Pulver, Korngröße 1 bis 10 »um, aus Kohlenstoff und/oder Silizium, gebildet ist, wobei der Bindemittelan- teil zwischen 10 und 50% beträgt. Bindemittelanteile im unteren Prozent¬ bereich sind bevorzugt. Eine solche Verbindungsschicht zeichnet sich dadurch aus, daß die zu fügenden Teile vor der Keramisierung miteinander fest verbunden sind und der Anteil an freiem Silizium minimiert werden kann.

Durch diesen mehrschichtigen Aufbau einer solchen Reibeinheit ist die Möglichkeit gegeben, den Kernkörper 1 und den Reibkörper 2 hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften den ihnen zukommenden Funktionen anzupassen. Der Kernkörper 1 kann so aufgebaut werden, daß er mechanisch stabil ist und eine hohe Wärmespeicher- und Wärmeleitfähigkeit besitzt, darüber¬ hinaus billig herstellbar ist. Hierzu wird beispielsweise der Kernkörper nicht aus einem Faserkörper hergestellt, sondern aus Kostengründen aus Kohlenstoff oder SiC aufgebaut. Im Fall eines kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffkörpers als Ausgangsmaterial weist dieser eine Porosität von 5 bis 50%, vorzugsweise von 10 bis 30% auf, und die Poren werden mit Sili¬ zium infiltriert, das dann, unter Wärmebehandlung, zu Siliziumkarbid umgewandelt wird, wobei die Restporosität auf weniger als 10% eingestellt wird. Der Anteil des Siliziumkarbids im Kernkörper 1 sollte dabei zwi¬ schen 10 bis 50% betragen mit einem axiamlen, nicht zu Siliziumkarbid umgewandelten Anteil an Silizium von 10%. Mit der vorstehenden, geringen Restporosität wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität er¬ reicht, darüberhinaus zeigt ein solcher Reibbelag ein günstiges Nässever¬ halten. Das Infiltrierverfahren unter Einsatz von flüssigem Silizium ermöglicht, einen dichten Werkstoff nicht nur an der Oberfläche herzu¬ stellen, sondern im gesamten Volumen, wodurch ein derart aufgebauter Reibkörper in seiner gesamten Struktur optimale Eigenschaften besitzt, d.h. auch nach einer gewissen Abnutzung der Reibfläche.

Dadurch, daß ein nicht zu Siliziumkarbi umgewandelter Anteil an Silizium im Kernkörper 1 vorhanden ist, werden einerseits kurze Ofenbelegzeiten realisierbar, andererseits wird durch die Einschränkung des nicht zu

Siliziumkarbid umgewandelten Siliziums von etwa 10% erreicht, daß zusätz¬ liches Silizium in der Verbindungsschicht beim Fügen der Körper zur Ver¬ fügung steht.

Um die Ableitung von Wärme aus dem Kernkörper 1 zu fördern, die auf den Kernkörper 1 über die Reibkörper 2 übertragen wird, wird in den Kernkör¬ per 1 ein warmeleitfähiger Zusatz eingebracht. Dieser hochwärmeleitfahige Zusatz kann entweder bereits bei der Herstellung des Kernkörpers 1 vor der Pyrolyse eingebracht werden oder er wird im Rahmen der Infiltration zusammen mit dem flüssigen Silizium oder in einem anschließenden Proze߬ schritt in die Poren des pyrolysierten Körpers eingelagert.

Im Gegensatz zum Kernkörper 1, der eine hohe mechanische Stabilität sowie eine gute Wärmespeicher- und Wärmeleitfähigkeit besitzen soll, werden die Reibkörper 2 hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften so aufgebaut und angepaßt, daß sie eine optimierte Reibelgenschaft besitzen, darüberhinaus den hohen, an den Oberflächen auftretenden Temperaturen, beispielsweise bei einem Bremsvorgang, standhalten. Aus diesem Grund werden die Reibkör¬ per 2 aus einem kohlenstoffaserverstärkten, porösen Kohlenstoffkörper gebildet, der mit flüssigem Silizium zu einem möglichst dichten Werk¬ stoff, insbesondere mit dichter Oberfläche infiltriert wird. Ein solcher Reibkörper ist dazu geeignet, Temperaturen bis zu 2.000 ^β C an seiner Ober¬ fläche aufzunehmen. Um darüberhinaus die Reibeigenschaften der Reibkör¬ per 2 zu unterstützen und definiert einzustellen, können in die Struktur des Reibkörpers 2 reibwertmindernde oder reibwerterhöhende Zusätze einge¬ lagert werden. Als reibwerterhöhender Zusatz wird Siliziumkarbid-Pulver einer Körnung von 0,3 bis 3,0 ,um verwendet. Ein solches Pulver kann gezielt 1n die Struktur des Reibkörpers 2 eingelagert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein zu hoher Reibwert nicht zu einem optimalen Reibverhalten führt, bzw. ein Abbremsen hochfrequente Töne erzeugt, was im Automobilbau nicht akzeptierbar ist. Aus diesem Grund werden in den Reibkörper 2 auch reibwertmindernde Zusätze eingelagert, wodurch diese vorstehend angesprochene Geräuschentwicklung vermieden werden kann.

Die Figuren 5A und 5B zeigen eine Variante einer Reibheinheit zur Verwen¬ dung als Bremseinheit, in der in dem Kernkörper 1 Hohlräume bzw. Kühlka- näle 6 zur Luftzirkulation und damit Innenbelüftung dieser Bremseinheit gebildet sind. Um diese Hohlräume 6 zu bilden, kann der Kernkörper aus zwei Teilen zusammengesetzt werden, wie dies durch die Trennlinie 7 in Figur 5A dargestellt ist oder einteilig aufgebaut sein, wie dies die Figur 5B zeigt. Auf die Innenflächen solcher Teil-Kernkörper können dann Profilierungen in Form von Nuten gebildet werden, die, nach dem Zusammen¬ setzen der beiden Teil-Kernkörper entlang der Verbindungslinie 7, die Hohlräume 6 ergeben. Solche Kernkörper 1 können mit einer Verbindungs¬ technik miteinander verbunden werden, wie sie zur Verbindung des Kern¬ körpers 1 mit dem Reibkörper 2 angewandt wird und vorstehend beschrieben ist. Wie anhand der Figuren 5A und 5B ersichtlich ist, können solche Profilierungen in einfacher Weise in den bereitgestellten Vorformen, beispielsweise aus dem kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoff oder dem Graphit, aus denen der Kernkörper 1 in seinem Grundaufbau besteht vorge¬ sehen werden, ausgeführt werden. Falls erforderlich, können solche Kühl¬ kanäle auch auf der Außenseite vorgesehen werden.

Wie anhand der Figuren 3 und 4 zu erkennen ist, ist mit dem angegebenen Verbund-Aufbau der Reibeinheit die Möglichkeit gegeben, eine solche Reib¬ einheit nach Abnutzung der Reibkörper 2 wieder aufzuarbeiten, indem der verbleibende Kernkörper 1, gegebenenfalls mit einer dünnen Restschicht des oder der damit verbundenen Reibkörper 2, aufgearbeitet wird, indem auf den Kernkörper 1 oder die verbleibende Restschicht des Reibkörpers 2 ein neuer Reibkörper 2 jeweils aufgebracht wird, wobei eine Verfahrens¬ weise angewandt wird, die identisch zu derjenigen ist, wie sie zur Her¬ stellung einer neuen Reibeinheit angewandt wird und in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Theoretisch besitzt also der Kernkörper 1 aufgrund der Möglichkeit, ihn mit einfachen Mitteln wieder durch neue Reibkörper 2 zu ergänzen, eine unendliche Lebensdauer.

Figur 1A zeigt eine Photographie der Bremsscheibe, wie sie in den Figu¬ ren 2 und 3 dargestellt ist, mit zentraler Durchgangsöffnung 3 und meh-

reren, um den Rand der Durchgangsöffnung 3 verteilten Verbindungsöff¬ nungen 8. Darüberhinaus ist in Figur 1B ein Bremsklotz 9 als gesonderte Reibeinheit gezeigt, der eine Trageplatte 10 sowie eine als Reibkörper dienende Reibplatte 11 aufweist. Sowohl für die Trageplatte 10 als auch der Reibplatte 11 gelten die vorstehenden Ausführungen zu den Figuren 3 und 4. Die Reibplatte 11, die als Reibkörper dient, ist in Ihren Mate¬ rialeigenschaften den Anforderungen angepaßt, entsprechend der Reibplat¬ te 2 der Bremsscheibe, wie dies in der Figur 2 dargestellt und vorstehend erläutert ist. Die Trageplatte 10 kann entsprechend des Kernkörpers 1 der Figur 2 aufgebaut werden; es eignet sich jedoch auch eine andere Trage¬ platte, beispielsweise in Form einer Metallplatte oder einer Wärmedämm¬ schicht, zum Beispiel aus Zirkonoxid, an der die Reibplatte 11 aus einem kohlenstoffaserverstärkten, porösen Kohlenstoffkörper, der mit Silizium und Siliziumkarbid gefüllt ist, mittels Form- und/oder Kraftschluß be¬ festigt wird, zum Beispiel durch eine Schwalbenschwanzverbindung oder Schrauben aus Metall oder Keramik.

Figur 2 zeigt einen Lamellenaufbau einer Reibeinheit mit Stator-Ro¬ tor-Stator-Anordnung. Bei dieser Konstruktion sitzen rotierende und fest¬ stehende Reibeinheiten (Rotoren und Statoren) axial hintereinander. Die einzelnen Rotoren und Statoren sind jeweils aus Kernkörper und beidseitig aufgebrachtem Reibkörper aufgebaut, die über die erfindungsgemäße, hoch- temperaturbeständige Verbindungsschicht jeweils miteinander verbunden sind. Weiterhin sind in diesem Bild an den jeweils äußeren Flächen der äußeren Reibeinheiten radial verlaufende Ausnehmungen vorhanden, die Befestigungsnuten bilden. Eine solche Reibeinheit, wie sie in der Figur 2 dargestellt Ist, kann baukastenartig aufgebaut werden, indem mehrere Kernkörper 1 und Reibkörper 2 bereitgestellt werden und entsprechend den Anforderungen zu einer solchen Mehrfach-Elnheit zusammengesetzt werden. Wiederum können die Materialeigenschaften der Kernkörper und der Reib¬ körper den Anforderungen angepaßt werden, d.h. zum einen hinsichtlich einer guten Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Stabilität (Kernkörper) und zum anderen hinsichtlich eines optimierten Reibungskoeffizienten, natürlich auch unter Berücksichtigung einer guten Wärmeleitfähigkeit.

Die Anordnung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist, bildet einen Rotor und zwei Statoren, wobei der Rotor durch das Rad eines Flugzeuges angetrieben wird. Die Rotor-Scheibe greift in feststehende Statoren der Bremsenein¬ heit ein. Die Abbremsung wird durch hydraulisches Zusammenpressen der Scheiben bewirkt, wobei in der Oberfläche der Reibkörper 2 Temperaturen bis zu 2.000 ^β C erreicht werden. Der Silizium infiltrierte kohlen- stoffaserverstärkte, poröse Kohlenstoffkörper hat den Vorteil, daß er oxydationsbeständig aufgrund der inneren Oxidationsschutzes des SiC ist, sich also durch eine extreme Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet.

Die in Figur 6 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rei¬ beinheit weist zwei Reibkörper 2 in Scheibenform auf, die über mehrere Stege 25, die den Kernkörper 1 bilden, mittels einer hochtemperaturbe¬ ständigen Verbindungsschicht 4 miteinander verbunden sind, wobei die einzelnen Stege 25 jeweils in Nuten, die in den Reibkörpern 2 gebildet sind, eingesetzt sind. Die Reibeinheit dreht sich, wie durch den Pfeil 23 angedeutet, um die Achse 24. Die Stege 25 bilden die Kontur von Kühlkanälen, die beispielsweise spiralförmig verlaufen.

Figur 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brems¬ scheibe 12, die aus einem Kernkörper 1 und zwei Reibkörper 2 zusammenge¬ setzt ist. Wie in der Figur 7 zu sehen ist, ist auf der Außenseite des Kernkörpers 1 dieser Bremsscheibe 12 ein Fortsatz 13 mit Verbindungsöff¬ nungen ausgebildet, der einstückig mit dem Kernkörper 1 geformt Ist. Wie bereits unter Bezugnahme auf Figur 5 erläutert wurde, ist es möglich, den Kernkörper 1 insbesondere dann, wenn er aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff gebildet wird, in einfacher Weise im Rohzustand auf seine Endkonfiguration zu profilieren bevor er in einem Fertigungsgang ohne eine wesentliche Nachbearbeitung der fertiggestellten Einheit solche Aufnahme- und Verbindungsteile gefertigt werden können. An der Außenseite dieses profilierten Kernkörpers 1 wird über die beschriebene Verbindungs¬ schicht 4 der Reibkörper 2 aufgebracht, der, nachdem er abgenutzt ist, mit der erfindungsgemäßen Verbindungstechnik ersetzt werden kann. Eine

Bremsscheibe 12, wie sie in der Figur 7 dargestellt ist, kann an einer Radnabe 14 mittels der Verbindungsöffnungen angeschraubt werden.

Figur 8 zeigt eine Reibeinheit in Form einer Kuppfuhgsanordnung mit einer Kupplungsmitnehmerscheibe 16 und einer Druckplatte 17 in einer Explo¬ sionsansicht. Die Mitnehmerscheibe 16 ist aus einem Kernkörper 1 und einem Reibkörper 2 zusammengesetzt, wobei der Reibkörper 2 beim Einkup¬ peln in eine entsprechende Reibfläche der Druckplatte 17 eingreift. Auch in diesem Fall kann der Reibkörper 2 nach Abnutzung durch einen neuen Reibkörper 2 ersetzt werden. Weiterhin sind bei dieser Kupplungsein¬ heit 15 ein Nabenteil 18 der Mitnehmerscheibe 16 an dem Kernkörper 1 verankert bzw. in die Matrixstruktur eingearbeitet, das auf eine nicht dargestellte Antriebs- bzw. Abtriebswelle aufgesteckt wird.

Es wurden Bremsscheiben in Hochleistungsbremsen getestet, die entspre¬ chend der Figur 1 aufgebaut waren. Solche Scheiben besaßen einen Außen¬ durchmesser 19 von ca. 280 mm, einen Durchmesser 20 der Verbindungsöff¬ nung von ca. 120 mm sowie eine Gesamtdicke 21 von ca. 13 mm.

Die Daten der Reibeinheit, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, waren wie folgt:

- 64 Gewebelagen pro Reibeinheit, die senkrecht zur Drehachse der Schei¬ ben orientiert waren.

- es wurden hochfeste Kohlenstoffasern verwendet

- Keramikanteil ca. 35%

- Kohlenstoffanteil ca. 65%

Es konnte eine sehr dichte Gefügestruktur festgestellt werden, die im Einsatz dazu führt, daß sich kaum Wassermoleküle einlagern bzw. diese geringen Mengen schnell an der Oberfläche verdampfen konnten. Feuchte, die auf den Reibbelag einwirkt, zeigt keinen Einfluß auf das Reibverhal¬ ten. SiC und Si-Partikel, die sich mit dem C-Abrieb in die Reibfläche einarbeiten, führen zu einer sehr hohen Verschleißfestigkeit. Die Reib¬ werte (,u) reichen bis zu 1,0.