Die Erfindung betri f ft ein Vormaterial zur Verwendung zum Herstellen eines Faser-Keramik-Verbundes , ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Vormaterials , die Verwendung eines solchen Vormaterials zum Herstellen eines Faser-Keramik- Verbundes sowie einen Faser-Keramik-Verbund umfassend anorganische Fasern, insbesondere oxidische und/oder Mineral fasern, und eine oxidische Keramik-Matrix .

Es ist bekannt , anorganische Fasern zur Verstärkung von Keramik einzusetzen, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Faser-Keramik-Verbundes und somit dessen Produkteigenschaften wie Dehnbarkeit , Bruchzähigkeit und Thermoschockbeständigkeit erheblich verbessert werden .

Als anorganische Fasern werden beispielsweise solche überwiegend aus AI2O3 verwendet , die bei der Herstellung des Faser-Keramik-Verbundes in eine Matrix überwiegend aus AI2O3 eingebettet werden .

Weiters ist es bekannt , die Fasern und auch die Matrix im Verbund aus einer Mischung aus AI2O3 und Si02 bereit zu stellen . Bei einer derartigen Mischung muss allerdings ein Kompromiss zwischen den Eigenschaften, die durch die j eweilige Oxid- Komponente erzeugt werden, gefunden werden .

Mit faserverstärkter Keramik steht ein Werkstof f zur Verfügung, der gewichtige Nachteile konventioneller, technischer Keramik - nämlich deren geringe Bruchzähigkeit und hohe Temperaturempfindlichkeit - nicht mehr aufweist . Anwendungsentwicklungen haben sich folglich auf Gebiete konzentriert , in denen Zuverlässigkeit bei hohen, für Metalle nicht mehr zugänglichen, Temperaturen - insbesondere über 1000 ° C - bei abrasiven, d . h . Verschleiß erzeugenden Belastungen gefordert sind . Folgende Schwerpunkte haben sich in Entwicklungen und Anwendungen bisher ergeben :

- Hitzeschutzsysteme für Raumflugkörper, die beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre hohen Temperaturspannungen und Vibrationsbelastungen ausgesetzt sind . Komponenten für Gasturbinen im Bereich der heißen Gase ( also in der Turbinenbrennkammer ) , den statischen, den Gasstrom lenkenden Leitschauf ein und den eigentlichen Turbinenschaufeln, die den Verdichter der Gasturbine antreiben .

- Bauteile für die Brennertechnik und Heißgas führungen aus oxidischer Verbundkeramik .

- Bremsscheiben für hoch belastete Scheibenbremsen, die auf der Reibfläche extremen Thermoschockbedingungen ausgesetzt sind .

- Komponenten für Gleitlager mit hoher Korrosions- und Verschweißbelastung .

Nachteilig bei bekannten, faserverstärkten Keramiken ist j edoch, dass diese hohe Herstellungskosten verursachen .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vormaterial für einen Faser-Keramik-Verbund mit oxidischer Matrix und einer oxidischen und/oder mineralischen Faser bereit zu stellen, der im Vergleich zu einem bekannten, insbesondere aus Oxiden hergestellten Verbund , optimierte Eigenschaften aufweist und kostengünstig hergestellt werden kann .

Diese Aufgabe wird durch ein Vormaterial gelöst , das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist , durch ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruches 12 aufweist , durch eine Verwendung eines Vormaterials gemäß Anspruch 15 sowie durch einen Faser- Keramik-Verbund, der die Merkmale des Anspruches 16 aufweist . Bevorzugte und vorteilhafte Aus führungs formen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass 100 Gew.-% Vormaterial

- 40 Gew.-% bis 55 Gew.-%, insbesondere 44 Gew.-% bis 50 Gew.%-, anorganische Fasern aus SiCh und/oder AI2O3,

- 40 Gew.-% bis 50 Gew.-%, insbesondere 42 Gew.-% bis 48 Gew.-%, anorganische Oxide und

- 5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, insbesondere 7,5 Gew.-% bis 9 Gew.-%, Wasser enthalten und dass 100 Gew.-% der anorganischen Oxide zumindest 60 Gew.- % SiO2 und maximal 25 Gew.-% AI2O3 enthalten.

Ein wichtiger Kostenfaktor beim Herstellen eines Faser- Keramik-Verbundes liegt in den Energiekosten für das Sintern. Im Gegensatz zu bekannten faserverstärkten Keramiken, bei denen die Fasern und auch die Matrix im Verbund aus einer Mischung überwiegend aus AI2O3 und nur zu einem geringen Anteil an SiO2 bestehen, liegt der Vorteil an einem erfindungsgemäß vorgesehenen, überwiegenden Anteil an SiO2 insbesondere darin, dass die Fasern sowie die Matrix bei relativ geringen Temperaturen und somit wesentlich kostengünstiger gesintert werden können, ohne dass die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit negativ beeinträchtigt werden.

Fasern, Oxide und Wasser müssen sich im Vormaterial nicht auf 100 Gew.-% aufaddieren, da das Vormaterial je nach Herstellungsverfahren auch gewisse Gewichtsprozente an z.B. Polyvinylalkohol aufweisen kann. Zudem kann das Vormaterial im lagerfähigen Zustand eine Folie aufweisen, die beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen besteht und deren Gewicht jedoch als vernachlässigbar angesehen werden kann. Je leichter die Folie, desto besser. Die Einstellung der einzelnen Gewichtsprozente an Fasern, Oxiden und Wasser und gegebenenfalls an Polyvinylalkohol kann j e nach Anforderungen gewählt werden . Beim Anwendungsgebiet für z . B . die Spitze einer Weltraumrakete kann ein höherer Anteil (höhere Gewichtsprozente ) an Fasern für eine bessere mechanische Stabilität gewählt werden, wogegen beim Anwendungsgebiet für eine Opferlage einer Batteriehülle ein niedrigerer Anteil an Fasern gewählt werden kann, da dann die mechanische Stabilität weniger stark von praktischer Bedeutung ist . Die Gewichtsprozente an Fasern können insbesondere durch die Verwendung von Fasern mit unterschiedlichen Flächengewichten eingestellt werden .

Die Gewichtsprozente an Oxiden können insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Gewichtsprozente an Fasern gewählt und beispielsweise durch die Verweildauer der Fasern in einem Matrixbad entsprechend eingestellt werden .

Die Gewichtsprozente an Wasser können j e nach gewünschter Klebefähigkeit des Vormaterials gewählt und beim Herstellen des Vormaterials beispielsweise durch die Verweildauer der Fasern in einem Matrixbad und/oder durch nachfolgendes Pressen einer Bahn aus Faser-Matrix-Mischung entsprechend eingestellt werden .

Im Rahmen der Erfindung kann das Vormaterial ca . 1 bis 1 , 5 Gew . -% an Polivinylalkohol enthalten, wobei diese Gewichtsprozente wie die Gewichtsprozente an Wasser eingestellt werden können .

In einer besonders bevorzugten Aus führungs form ist vorgesehen, dass bei den anorganischen Oxiden der Anteil an Si02 zumindest 65 Gew . -% , insbesondere zumindest 70 Gew . -% , vorzugsweise 72 bis 77 Gew . -% , besonders bevorzugt ca . 73 bis 75 Gew . -% , beträgt . In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Aus führungs form ist vorgesehen, dass der Anteil an AI2O3 im Bereich von 15 bis 20 Gew.-% liegt.

Der besondere Vorteil dieser Aus führungs formen liegt in der Balance zwischen der Temperaturstabilität während der Bearbeitung und den mechanischen Eigenschaften. Der Anteil an AI2O3 sorgt für die Temperaturstabilität. Die Balance wirkt sich darin aus, dass das Vormaterial gesintert werden kann, ohne dass die mechanische Stabilität der Fasern und die Tragfähigkeit des Faser-Keramik-Verbundes beeinträchtigt werden .

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Vormaterial zusätzliche anorganische Oxide ausgewählt aus der Gruppe TiO2, Fe2Os, CaO, MgO, K2O und Na2O enthält. Vorteilhaft daran ist, dass als Ausgangsrohstoff verschiedene Arten an Steingut, dessen Zusammensetzung sich ändern kann, verwendet werden können.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Aus führungs form ist vorgesehen, dass bei den anorganischen Fasern der Anteil an SiC>2 zumindest 60 Gew.-% und der Anteil an AI2O3 maximal 25 Gew.-% beträgt, insbesondere dass der Anteil an SiC>2 zumindest 65 Gew.-%, insbesondere zumindest 70 Gew.-%, beispielsweise 85 Gew.-% beträgt und der Anteil an AI2O3 im Bereich von 15 bis 20 Gew.-% liegt. Wenn sowohl bei den Fasern als auch bei den anorganischen Oxiden der Anteil an SiO2 ähnlich groß ist, besteht der Vorteil, dass eine „Schlichte" entfallen kann. Wenn zudem der Anteil an SiO2 gegenüber dem Anteil an AI2O3 dominierend ist, besteht der Vorteil, dass sich die Matrixmischung besonders gut an die Fasern anbinden kann.

Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass bei den anorganischen Fasern der Anteil an SiO2 20 bis 30 Gew.-%, insbesondere 25 Gew . -% , beträgt und der Anteil an AI2O3 70 bis 80 Gew . -% , insbesondere 75 Gew . -% .

Im Rahmen der Erfindung können die anorganischen Fasern als Gewebe , Gelege , Vlies , Fil z , Gestrick, Geflecht , in Form einer Wicklung oder als unidirektionale Faserschicht angeordnet sein .

Um die Lagerf ähigkeit des Vormaterials zu verbessern, kann das Vormaterial im Rahmen der Erfindung die Form einer flächigen, aufrollbaren Bahn haben, wobei die Ober- und Unterseite der Bahn j eweils durch eine Folie gebildet ist und die anorganischen Fasern, die anorganischen Oxide und der Wasseranteil zwischen den Folien vorliegen oder wobei die Ober- oder Unterseite der Bahn durch eine Folie gebildet ist .

Erfindungsgemäß wird das Vormaterial zur Verwendung zum Herstellen eines Faser-Keramik-Verbundes in einem Verfahren umfassend die folgenden Verfahrensschritte hergestellt : a ) Herstellen einer Suspension umfassend Wasser und gemahlene , anorganische Oxide und vorzugsweise Polyvinylalkohol zur späteren Ausbildung einer oxidischen Keramik-Matrix, b ) In-Kontakt-Bringen von anorganischen Fasern in die nach Schritt a ) hergestellte Suspension und c ) Herstellen eines lagerstabilen Vormaterials für den Faser-Keramik-Verbund unter Anwendung von erhöhtem Druck .

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die gemahlenen, anorganischen Oxide zur Ausbildung der oxidischen Keramik-Matrix aus Steingut gewonnen werden . In einer bevorzugten Aus führungs form kann vorgesehen sein, dass die Fasern in Schritt b ) in Form einer flächigen Bahn einen Behälter durchlaufen, der die nach Schritt a ) hergestellte Suspension beinhaltet , und dass in Schritt c ) die Unterseite und/oder die Oberseite der flächigen Bahn, die anorganische Fasern, anorganische Oxide , einen Wasseranteil und gegebenenfalls einen Anteil an Polyvinylalkohol umfasst , mit einer Folie bedeckt wird . Durch die Verweildauer im Behälter können insbesondere die Gewichtsprozente an anorganischen Oxiden, Wasser und gegebenenfalls Polyvinylalkohol eingestellt werden . Durch die Folie kann der Wasseranteil im Vormaterial im Wesentlichen konstant gehalten und die Bahn kann besser gelagert werden .

Erfindungsgemäß wird das Vormaterial zum Herstellen eines Faser-Keramik-Verbundes verwendet , indem folgender Verfahrensschritt ausgeführt wird : d) Sintern des Vormaterials bei einer Temperatur von etwa 1000 ° C, insbesondere bei einer Temperatur von 900 bis 990 ° C, zur Ausbildung einer oxidischen Keramik-Matrix .

Die erfindungsgemäße Matrix ist zwischen 900 und 1100 ° C sinterbar . Im Falle eines Verbundes bestimmt j edoch das schwächste Glied die Sintertemperatur, in diesem Fall die Faser . Die mechanische Festigkeit von SiO2-Fasern sinkt rapide bei Temperaturen über 990 ° C . Die Erfindung zeichnet sich j edoch durch eine besondere Balance zwischen Temperaturstabilität in der Herstellung und mechanischen Eigenschaften im fertigen Verbund aus .

Erfindungsgemäß wird ein Faser-Keramik-Verbund umfassend anorganische Fasern und eine oxidische Keramik-Matrix vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist , dass die anorganischen Fasern aus SiO2 und AI2O3 bestehen und die oxidische Keramik-Matrix zu 100 % aus anorganischen Oxiden besteht , wobei der Anteil an SiO2 zumindest 60 Gew . -% und der Anteil an AI2O3 maximal 25 Gew . -% beträgt .

Der erfindungsgemäße Verbund kann bei relativ geringen Temperaturen und somit wesentlich kostengünstiger hergestellt werden, wobei die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit auf verschiedene Anwendungsgebiete , bei denen überwiegend aus AI2O3 und nur zu einem geringen Anteil an SiO2 bestehende Verbünde nicht geeignet wären, optimal angepasst werden können .

In einer bevorzugten Aus führungs form des Verbundes ist vorgesehen, dass die Anteile der anorganischen Fasern und die Anteile der oxidischen Keramik-Matrix in einem Bereich zwischen 30 und 70 Gew . -% , bevorzugt zwischen 40 und 60 Gew . - % , insbesondere zwischen 35 und 65 Gew . -% , bezogen auf 100 Gew . -% liegen .

Die einzelnen Gewichtsprozente an Fasern und Oxiden können j e nach Anforderungen gewählt werden . Beim Anwendungsgebiet für z . B . die Spitze einer Weltraumrakete kann für eine bessere mechanische Stabilität ein Anteil an Fasern von ca . 65 Gew . -% gewählt werden, wogegen beim Anwendungsgebiet für eine Opferlage einer Batteriehülle ein Anteil an Fasern von ca . 35 Gew . -% gewählt werden kann, da dann die mechanische Stabilität weniger von praktischer Bedeutung ist .

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Aus führungsbeispiels anhand der Zeichnung, in der schematisch eine erfindungsgemäße Anlage mit ihren wesentlichen Bauteilen dargestellt ist . Zur Herstellung der Keramik-Matrix wird Steingut zu einer Korngröße von beispielsweise 9 pm vermahlen . Das verwendete Steingut kann beispielsweise aus folgenden Oxiden bestehen :

72 % SiO ₂ , 1 % TiO ₂ , 18 % A1 ₂ O ₃ , 1 % Fe ₂ O ₃ , 5 % CaO, 0 , 50 % MgO, 2 % K ₂ O, 0 , 50 % Na ₂ O .

Die eingesetzten, anorganischen Fasern bestehen aus SiO ₂ oder A1 ₂ O ₃ . Bevorzugt können die Fasern eine Mischung aus A1 ₂ O ₃ und SiO ₂ enthalten, wobei der Anteil an A1 ₂ O ₃ beispielsweise bei 75% und der Anteil an SiO ₂ bei 25% liegt . Die anorganischen Fasern können als Gewebe , Gelege , Vlies , Fil z , Gestrick, Geflecht , in Form einer Wicklung oder als unidirektionale Faserschicht angeordnet sein .

Die Fasern werden von einer Abwickeleinheit 1 kontinuierlich abgewickelt und über Führungsrollen 2 in ein Matrixbad geführt . Das Matrixbad umfasst eine Tränkwanne 3 , in der eine Mischung aus Wasser und Polyvinylalkohol vorliegt , in die das gemahlene Steingut eingetragen wird . Die Temperatur im Matrixbad kann ca . 20 bis 40 ° C betragen . In der Tränkwanne 3 kann eine Umwäl zpumpe vorgesehen sein, um Sedimentierungen zu vermeiden .

Durch das verwendete Flächengewicht der Fasern, z . B . 300 g/m ² oder 400 g/m ² , können die Gewichtsprozente der Fasern eingestellt werden . Durch die Verweildauer der Fasern im Matrixbad können die Gewichtsprozente an Wasser und Polivinylalkohol beeinflusst werden .

Die Faser-Matrixmischung, die bereits nach Austritt aus der Tränkwanne 3 als Vormaterial bezeichnet werden kann, wird nach dem Matrixbad durch wenigstens ein Pressrollenpaar 4 zum Aushüben eines Anpressdruckes geführt . Durch den Anpressdruck wird die Suspension in die anorganischen Fasern gedrückt , sodass die Oxide für die Ausbildung der Keramik-Matrix in die Fasern eingebracht werden . Zudem können die Gewichtsprozente an Wasser und Polivinylalkohol weiter beeinflusst werden . Das Pressrollenpaare kann leicht gekühlt sein, beispielsweise auf ca . 15 ° C . Der Abstand der Pressrollen kann j e nach Flächengewicht der verwendeten Fasern eingestellt werden .

Nach der Tränkwanne 3 und dem Pressrollenpaar 4 sind weitere Führungsrollen 2 vorgesehen, über die das bahnenförmige Vormatrial zu einer Lagereinheit 5 , beispielsweise eine Rolle zum Aufwickeln des Vormaterials , geführt wird .

Wenigstens eine weitere Führungsrollen 2 kann eine Vorratsrolle 6 für eine abziehbare Folie (beispielsweise silikonisiert oder gewachst ) sein, um die Oberseite 7 oder die Unterseite 8 des Vormaterials mit einer Folie zu beziehen, so dass das Vormaterial besser gelagert werden kann . Es kann auch ein Rollenpaar an Vorratsrollen 6 für eine abziehbare Folie vorgesehen sein, um die Oberseite 7 und die Unterseite 8 des Vormaterials mit einer Folie zu beziehen . Im letzteren Beispiel erfolgt durch den dort erzeugten Anpressdruck eine weitere Verfestigung des Vormaterials , sodass auch über einen längeren Zeitraum eine Lagerung bei entsprechender Raumtemperatur möglich ist .

Das Vormaterial kann nach dem Pressen beispielsweise 44 Gew . -% an Fasern, 47 Gew . -% an Oxiden, 8 , Gew . -% an Wasser und 0 , 5 Gew . -% an Polyvinylalkohol enthalten, wobei die Gewichtsprozente an Folie vernachlässigt werden können .

Das Vormaterial kann unmittelbar nach dessen Herstellung oder nach entsprechender Lagerung verarbeitet werden . Dabei wird vorerst die Folie von der Oberfläche des Vormaterials abgezogen und das Vormaterial wird in mehreren Lagen in eine Press form verbracht . Die Press form mit dem Vormaterial wird in einen Ofen übergeführt und dort , j e nach weiterer Verwendung, mehrere Stunden bei etwa 30 bis 100 ° C erhitzt . Danach wird die Press form entfernt und die gepressten Lagen werden in einen Sinterofen gebracht . Das Sintern erfolgt bei ca . 900 bis 1000 ° C über einen Zeitraum von 0 , 25 bis 4 Stunden, wodurch die Keramik-Matrix und damit der Faser-Keramik-Verbund hergestellt wird .

Im Rahmen der Erfindung können beispielsweise 300 bis 380 g Matrixmischung umfassend Oxide , Wasser und gegebenenfalls Polyvinylalkohol auf 300 bis 400 g Fasern aufgetragen werden . Nach dem Sintern liegen immer noch 300 bis 400 g an Faser vor, j edoch hat sich der Wasseranteil sowie der all fällige Anteil an Polyvinylalkohol verflüchtigt , so dass dann beispielsweise ca . 260 bis 320 g an Oxiden vorliegen .

Eine Analyse des gemäß Aus führungsbeispiel hergestellten Faser-Keramik-Verbundes kann eine Matrix mit einer geometrischen Dichte von 1 , 65 g/cm ³ , einer Skelett-Dichte von 2 , 64 g/cm ³ und einer of fenen Porosität von 36 % zeigen .

Der erfindungsgemäße Faser-Keramik-Verbund kann für eine Reihe technischer Anwendungen verwendet werden . Lediglich beispielhaft wird die Verwendung zur Herstellung von Batterie- Deckeln sowie die Herstellung von Bauteilen für Luftfahrzeuge , wie Drohnen, angeführt . Neben den zum Stand der Technik genannten, konkreten Einsatzgebieten sind grundsätzlich alle Anwendungsbereich interessant , in denen konventionelle , technische Keramik verwendet wird, oder in denen metallische Komponenten wegen Korrosion oder hoher Temperaturen keine befriedigenden Lebensdauern erreichen .

Zusammenfassend kann ein Aus führungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden : Ein Vormaterial zur Verwendung zum Herstellen eines Faser- Keramik-Verbundes enthält 40 Gew.-% bis 55 Gew.-% anorganische Fasern aus SiCb und/oder AI2O3, 40 Gew.-% bis 50 Gew.-% anorganische Oxide und 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% Wasser, wobei die anorganischen Oxide zumindest 60 Gew.-% SiO2 und maximal 25 Gew.-% AI2O3 enthalten. Anorganische Fasern werden hierzu mit einer Suspension enthaltend Wasser, gemahlene anorganische Oxide und vorzugsweise Polyvinylalkohol in Kontakt gebracht. Das Vormaterial kann zu einem späteren Zeitpunkt bei einer Temperatur von etwa 1000°C, insbesondere bei einer Temperatur von 900 bis 990°C, gesintert werden. Der so hergestellte Faser-Keramik-Verbund enthält anorganische Fasern und eine oxidische Keramik-Matrix, wobei die anorganischen Fasern aus SiO2 und AI2O3 bestehen, wobei die oxidische Keramik-Matrix zu 100 % aus anorganischen Oxiden besteht, wobei der Anteil an SiO2 zumindest 60 Gew.-% und der Anteil an AI2O3 maximal 25 Gew.-% beträgt.