KOHLENSCHICHTE/KOHLENFASERN VERBUNDBAUTEILS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil, wobei das Verbundbauteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet wird.

Die zur Ausbildung von Verbundbauteilen verwendeten Metallmatrix- Verbundwerkstoffe bestehen regelmäßig aus einer zusammenhängenden Metallmatrix mit einer aus 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 Flugzeugbau oder in der Raumfahrt. Die die Metallmatrix verstärkenden Kohlenstofffasern können Kurzschnittfasern oder auch Endlosfasern sein. Die Kurzschnittfasern können beispielsweise einer Metallschmelze zugesetzt und mit vergossen werden. Dabei kann es jedoch leicht zu Inhomogenitäten bei der Verteilung des Fasermaterials kommen. So kann sich j e nach Gestalt der 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 Kohlenstofffasern gegenüber Metall eine wesentlich andere Dichte aufweisen.

Beim Vergießen oder Infiltrieren von Kohlenstofffasern mit beispiels- weise 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. Weiter ist es bekannt, kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff als Werkstoff zur Ausbildung eines Verbundbauteils zu verwenden. Bei einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff werden zunächst Kohlenstofffasern mit beispielsweise einem Harz getränkt, wobei das Harz nachfo lgend pyrolysiert wird. Ein so ausgebildeter Vorformling kann dann allerdings nicht mehr oder nicht mehr vollständig mit einem Metall infiltriert werden, weil die Zwischenräume zwischen den Kohlestofffasern dann nahezu vollständig von Pyrokohlenstoff ausgefüllt sind, der dann die Matrix des Verbundwerkstoffes bildet. Gleichwohl ist es möglich einen kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff bzw. ein derartiges Verbundbauteil mit einem Metall zu beschichten, wobei dann j edoch nicht die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Metallmatrix- Verbundwerkstoffs erzielt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil mit verbesserten Festigkeitseigenschaften vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils wird das Verbundbauteil aus einem Metallmatrix- Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet, wobei aus den Kohlenstofffasern ein Faserver- bund ausgebildet wird, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet wird, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vorformlings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden, und wobei der Vorformling zumindest teilsweise mit geschmo lzenem Metall infiltriert wird. Die mechanischen Festigkeitseigenschaften des Verbundbauteils können demnach dadurch verbessert werden, dass aus den Kohlestofffasern zunächst ein Faserverbund ausgebildet wird, der eine definierte Geometrie aufweist. Unerwünschte Inhomogenitäten der Kohlenstofffasern im Verbundbauteil können so vermieden werden. Aus dem Faserverbund wird ein formstabiler Vorformling dadurch ausgebildet, dass die Kohlenstofffasern des Faserverbunds mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden. Die Kohlenstofffasern werden dann vollständig von dem pyroly- tischen Kohlenstoff umgeben, wobei die Kohlenstofffasern an ihren j eweiligen gegenseitigen Kontaktpunkten mittels der Beschichtung aus dem pyrolytischen Kohlenstoff miteinander verbunden werden. Da die Kohlenstofffasern mit einer vergleichsweise dünnen Schicht von pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden, verbleibt zwischen den Kohlestofffasern noch ein Zwischenraum, der eine ausreichende, für eine Infiltration mit einem geschmolzenen Metall geeignete Porosität des Vorformlings gewährleistet. Der formstabile Vorformling kann so mit dem geschmo lzenen Metall infiltriert werden, ohne dass die geometrische Form des Vorformlings aufgelö st oder verändert wird. Auch bildet der pyrolytische Kohlenstoff eine Schutzschicht auf den Kohlenstofffasern aus, die eine Bildung von Carbiden, und damit ein Auflö sen der Kohlenstofffasern, verhindert. Darüber hinaus bewirkt die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff eine verbesserte Benetzbarkeit der Kohlenstofffasern. Insgesamt kann so eine geometrische Orientierung der Kohlenstofffasern fixiert werden, wobei die Kohlenstofffasern selbst erhalten bleiben und aneinander anhaften. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil weist dann gegenüber einem herkömmlichen Verbundbauteil verbesserte mechanische Festigkeitsei- genschaften, auch im Bezug auf ein vergleichbares Bauteilgewicht, auf.

Im Rahmen des Verfahrens kann der pyrolytische Kohlenstoff auf den Kohlenstofffasern aus der Gasphase abgeschieden werden. Dadurch wird es möglich die Kohlenstofffasern mit einer vergleichsweise dünnen Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff zu beschichten. Weiter ist eine Schichtdicke bei einer Beschichtung aus der Gasphase je nach Bedarf besonders einfach einstellbar. Auch ist es möglich Faserverbünde mit nahezu beliebigen Geometrien und Kohlenstofffaserdichten mit pyrolytischem Kohlenstoff zu beschichten, da das betreffende Gas den Faserverbund gut durchdringen kann. Vorzugsweise kann der pyrolytische Kohlenstoff als eine mittels eines CVD-Verfahrens oder eines CVI-Verfahrens auf den Kohlenstofffasern erzeugte Abscheidung ausgebildet werden. Die Beschichtung der Kohlenstofffasern mit pyrolytischem Kohlenstoff kann so besonders einfach durchgeführt werden. Auch ist es möglich mehrere Behandlungsschritte vorzusehen, bei denen der Faserverbund mittels des CVD- oder/und CVI- Verfahrens mit pyrolytischem Kohlenstoff bzw. sogenannten Glaskohlenstoff durch Abscheidung beschichtet wird.

In einer Alternativen Variante des Verfahrens kann die Beschichtung mit dem pyro lytischen Kohlenstoff auf den Kohlenstofffasern durch Pyrolyse einer dünnen Harz- oder Pechschicht auf den Kohlenstofffasern ausgebildet werden. Eine Teilegröße wird durch eine Wandungsdicke des Faserverbunds bzw. Verbundbauteils bei einer Beschichtung aus der Gasphase aufgrund einer Durchdringung des Faserverbundes mit Gas und einer regelmäßig prozessbedingt begrenzten Größe einer Reaktorkammer zur Gasphasenbeschichtung bedingt. Durch die Beschichtung mit der dünnen, niedrig viskosen, flüssigen Harzschicht wird es möglich nahezu beliebig große Verbundbauteile herzustellen. Weiter kann die Pyrolyse in einem gebräuchlichen Pyrolyseofen erfolgen, dessen Größe nicht prozessbedingt begrenzt ist.

Vorzugsweise kann eine Dicke der Harz- oder Pechschicht kleiner als eine Dicke der Kohlenstofffasern ausgebildet werden. Dies kann insofern erforderlich sein, um eine ausreichende Porosität des Vorformlings zur Infiltration zu gewährleisten. Insbesondere sind dann Zwischenräume zwischen den Kohlestofffasern nicht vollständig von Harz bzw. Pyrokoh- lenstoff ausgefüllt, so dass zusammenhängende Zwischenräume ausge- bildet werden. Bevorzugt kann die Dicke der Harzschicht 50 Prozent kleiner und besonders bevorzugt 80 Prozent kleiner als eine Dicke der Kohlenstofffasern ausgebildet werden.

Die Harzschicht kann einfach durch Tränken des Faserverbunds in einer stark verdünnten Phenolharzlösung, z. B . Pheno lharz verdünnt mit Ethano l oder Aceton, ausgebildet werden. So ist es möglich, dass flüssiges Harz in den Faserverbund, unabhängig von einer Wandungsdicke, vo llständig eindringen kann. Das Tränken mit Harz kann auch unter einer Vakuumatmosphäre erfo lgen. Bei einer Nachfo lgenden Pyrolyse durch zum Beispiel Aushärten und Verkoken bzw. Pyro lysieren bei ca. 1000 bis 2000° C kann so eine Beschichtung der Kohlenstofffasern aus pyrolyti- schen, glasartigen Kohlenstoff erzeugt werden.

Vorteilhaft können die beschichteten Kohlenstofffasern mit einer weiteren Beschichtung aus Siliziumcarbid versehen werden. So wird es möglich die mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils in gegebenen- falls gewünschter Weise zu verändern, und, beispielsweise bei einer Verwendung von Aluminium als Matrixmaterial, eine unerwünschte chemische Reaktion des Aluminiums bei einer Infiltration zu vermeiden. Auch weisen derart beschichtete Kohlenstofffasern bzw. ein den Vor- formling ausbildendes Geflecht oder Gewebe aus Kohlenstofffasern eine erhöhte Steifigkeit auf, die für den nachfolgenden Verfahrensschritt der Infiltration besonders vorteilhaft ist. Weiter kann es vorgesehen sein, eine zumindest teilweise unidirektionale Orientierung der Kohlenstofffasern des Faserverbundes auszubilden. Beispielsweise können Endlosfasern durch Wickeln 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 pyroly- tischem 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 Filamentgarne 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 Kohlenstofffasern dicht aneinander anliegen und ein Volumenanteil an Kohlenstofffasern im Verbundbauteil wesentlich erhöht wird. Dem Faserverbund können beim Verpressen Hilfsstoffe zugegeben werden, die den Faserverbund bzw. die Kohlenstofffasern aneinander anhaften lassen und so vorläufig fixieren, ohne eine Porosität des Faser- Verbundes 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 Kohlenstoff- 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 Kohlenstofffasern verlaufen, um eine größtmögliche mechanische Festigkeit des Verbundbauteils zu erzielen. Ein beispiels- weise primär zugbelastetes Verbundbauteil kann dann eine Tragstruktur aus Kohlenstofffasern aufweisen, die in Richtung der Zugspannungen räumlich orientiert sind. Je nach vorgesehenem Lastfall des Verbundbauteils können die Kohlenstofffasern 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 des Faserverbundes aus Kohlenstofffasern nicht mehr zwangsläufig berücksichtigt werden müssen. Auch ist es denkbar einen Vorformling vor einer Infiltration mechanisch, zum

Beispiel spanend zu bearbeiten um eine gewünschte geometrische Form der Tragstruktur bzw. des Vorformlings zu erhalten. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass der Vorformling durch die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff formstabil ist.

Eine Infiltration des Vorformlings kann mit Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer oder einer Legierung eines dieser Metalle erfolgen. Prinzipiell ist für eine Infiltration j edes Metall bzw. jede Legierung geeignet, das bzw. die einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht zur Auflö sung der pyrolytischen Kohlenstoffbeschichtung der Kohlenstofffasern führt.

Insbesondere Aluminium eignet sich besonders aufgrund seines geringen Gewichts und seiner guten Verarbeitbarkeit als Matrixwerkstoff für Leichtbau- Verbundbauteile.

Wesentlich für die Herstellung eines Verbundbauteils ist, dass der Vorformling mit einer offenen Porenstruktur ausgebildet werden kann. So wird es möglich, dass der Vorformling leicht mit dem geschmolzenen Metall infiltriert werden kann. Zumindest teilweise geschlossene Porenstrukturen verhindern eine vollständige Infiltrierung des Vorformlings mit Metall und haben eine Bildung von sich negativ auf eine mechanische Festigkeit des Verbundbauteils auswirkenden Lunkern zur Folge . Demnach kann der Vorformling vollständig mit geschmolzenem Metall infiltriert werden. So kann dann eine zusammenhängende Matrix aus Metall erhalten werden, die im Wesentlichen alle Zwischenräume des Faserverbundes der Kohlenstofffasern des Vorformlings vollständig ausfüllt. In einer besonders einfachen Variante des Verfahrens kann es vorgesehen sein, den Vorformling lediglich durch Eintauchen in eine Metallschmelze mit dem geschmo lzenen Metall zu infiltrieren. Der Vorformling kann dabei vergleichsweise lange in der Metallschmelze verbleiben, da eine Auflö sung der Kohlenstofffasern bzw. eine Car- bidbildung aufgrund der Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff verhindert wird. Auch besteht die Möglichkeit den Vorformling mehrfach mit geschmo lzenem Metall zu infiltrieren, um eine vollständige Infiltration zu erreichen.

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 Metall infiltriert werden kann. Beispielsweise können ein oder mehrere Vor- formlinge 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 Gießform angeordnet werden, dass der Vorformling nur abschnittsweise mit Metall infiltriert wird, das heißt, ein Abschnitt des so erhaltenen Verbundbauteils kann ausschließlich aus beschichteten Kohlenstofffasern ohne Metallmatrix bestehen, wobei ein weiterer Abschnitt des Verbundbauteils beschichtete Kohlenstofffasern mit einer Metallmatrix umfasst. Das

Verbundbauteil kann darüber hinaus auch einen Abschnitt aufweisen, der ausschließlich aus dem Matrixmaterial bzw. dem Metall ausgebildet ist. So wird es möglich Verbundbauteile herzustellen, die an Belastungsfälle oder bestimmte Anwendungen angepasste Bauteilabschnitte 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 Metall erfolgt. Dadurch, dass der Vorformling formstabil ist, lässt er sich besonders einfach in die vorgenannten Gieß- verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils integrieren.

In einer Ausführungsform des Verfahrens kann das Verbundbauteil so ausgebildet werden, das es einen Metallanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn entsprechend der vorgesehenen Verwendung des Verbundbauteils sich ein höherer Metallanteil besonders günstig auf dessen Eigenschaften auswirkt.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Verbundbauteil so ausgebildet werden, das es einen Kohlenstofffaseranteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine vorgesehene Verwendung des Verbundbauteils durch einen besonders hohen Kohlenstofffaseranteil im Verbundbauteil begünstigt wird.

Auch kann es vorteilhaft sein, wenn das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass die Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils homogen verteilt sind. Das Verbundbauteil besteht dann aus einem homogenen Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit, von 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 Kohlenstofffasern aufweisen können. Aufgrund des formstabil ausgebildeten Vorformlings ist es möglich den Anteil der Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils sowie auch die räumliche Orientierung der Kohlenstofffasern gezielt festzulegen bzw. vorzu- bestimmen, um die mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils zu beeinflussen.

Das erfindungsgemäße Verbundbauteil ist aus einem Metallmatrix- Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer MetalUegierung gebildet, wobei aus den Kohlenstofffasern ein Faserver- bund ausgebildet ist, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet ist, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vorformlings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet sind, wobei der Vorformling zumindest teilweise mit geschmo lzenem Metall infiltriert ist. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verbundbauteils wird auf die Vorteilsbeschreibungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere Ausführungsformen des Verbundbauteils ergeben sich aus den auf dem Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.