METHOD OF MAKING A FIBRE-REINFORCED COMPOSITE CERAMIC MATERIAL

Abstract: 1. A method of producing a fibre-reinforced ceramic composite material having a continuous directional second phase, characterised in that continuous directional passages are produced in the first phase and a material serving as a second phase is introduced into these passages, while in order to produce the passages, continuous directional fibres or fibrous structures of a material which can be removed almost without any residue are introduced into the starting material of the first phase, these fibres or fibrous structures are then removed by thermal or chemical treatment and the material serving as the second phase or an initial material for forming the second phase is introduced into the resulting passages, after a temperature treatment.

Description: Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffes, insbesondere eines keramischen Verbundwerkstoffes, mit einer durchgehenden, gerichteten zweiten Phase. Verfahren der genannten Art haben in den letzten Jahrzehnten eine zunehmende Bedeutung erlangt. Im Hinblick auf spezielle Einsatzgebiete und zu erbringende Eigenschaften werden durch die moderne Technik an Werkstoffe ständig steigende Forderungen gestellt. Da jedoch gleichzeitig auf dem Weltmarkt eine wachsende Verknappung von Rohstoffen, insbesondere von Metallen, zu verzeichnen ist, wird in steigendem Masse eine Substituierung solcher Werkstoffe durch Verbundwerkstoffe angestrebt. Verbundwerkstoffe mit verstärkenden Fasern nehmen dabei aufgrund günstiger Eigenschaften eine hervorragende Stellung ein. Der Einsatz von beispielsweise carbonfaserverstärkten Kunststoffen wird bereits im Grossflugzeugbau und im Motorenbau für ausgewählte Bauteile durchgeführt. Aus vielen Bereichen der Technik sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe auf Kunststoff- oder Metallbasis nicht mehr wegzudenken. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffes. Solche Werkstoffe sind überall dort von Interesse, wo beispielsweise geringes Gewicht, verbunden mit hoher Festigkeit und Steifigkeit, verlangt wird. In der DE-AS 19 42 460 wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Siliciumnitrid-Verbundwerkstoffes beschrieben, bei dem in eine erste Phase aus Silicium ein als zweite Phase dienendes inertes Fasermaterial oder Whiskermaterial aus Siliciumnitrid und Siliciumcarbid durch Spritzen eingebettet werden und sich das Silicium durch Sintern in -Stickstoffatmosphäre in Siliciumnitrid umwandelt. Die US-PS 3.835.211 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, bei dem Siliciumnitridpulver mit Kohlenstoffasern vermischt wird. Die Kohlenstoffasern sind mit Siliciumcarbid beschichtet, um eine Reaktion der Matrix mit der Faser zu vermeiden und weisen ausserdem eine Siliciumnitridschicht auf, um eine Bindung mit der ersten Phase zu verbessern. Das Gemisch wird durch Heisspressen geformt. Gemäss zweier weiterer Patentschriften wird durch Heisspressen ein Siliciumnitrid-Verbundwerkstoff mit gerichteten kontinuierlichen Tantaldrähten (US-PS 3.900.626) bzw. mit Wolframfasern (US-PS 3.914.500) hergestellt. Die DE-AS 26 48 459 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit durchgehenden Siliciumcarbid-Fasern verstärkten keramischen Werkstoffes. Die Fasermenge beträgt 10 bis 70 Vol.-. Es ergibt sich ein Siliciumcarbid-faserverstärkter Siliciumcarbid-Verbundwerkstoff. Die DE-AS 26 47 862 und die DE-OS 30 45 523 betreffen Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes auf Faserbasis aus Siliciumcarbid und Silicium. Es werden Fasern oder Fasergewebe aus Siliciumcarbid mit Silicium infiltriert. Bei allen oben genannten Verfahren erweist es sich jedoch als nachteilig, dass die die zweite Phase bildenden Fasern mittels mechanischer Vermischung in die erste Phase, in den genannten Fällen ein keramisches Pulver, eingebracht werden. Dabei besteht die Gefahr, dass die Fasern zerstört werden und so ihre Wirksamkeit stark beeinträchtigt wird; ein gerichtetes Einbringen der Fasern ist bei den genannten Verfahren nicht möglich. Daher können die so hergestellten Verbundwerkstoffe den gewachsenen Ansprüchen an Festigkeit und Thermoschock Unempfindlichkeit nicht mehr Rechnung tragen. Auch das Infiltrieren lockerer Formkörper aus Fasergeweben schafft keine Verbundwe-rkstoffe, die den gestiegenen Anforderungen gewachsen sind, und bringt somit keine Abhilfe. Die Erfindung stellt sich daher zur Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass aufgrund dieses Verfahrens hergestellte Verbundwerkstoffe eine hohe Festigkeit, Bruchzähigkeit und gutes Thermoschockverhalten aufweisen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in der ersten Phase des Verbundwerkstoffes durchgehende, gerichtete Kanäle erzeugt werden und in diese Kanäle ein als zweite Phase dienender Werkstoff eingebracht wird. Dieses Verfahren ist vorteilhafterweise unabhängig von einer verstärkenden Phase im herkömmlichen Sinne und deren hohen Herstellungskosten. Es ermöglicht eine weitgehende Freiheit bei der Auswahl des als zweite Phase dienenden, in die durchgehenden, gerichteten Kanäle einzubringenden Werkstoffes, so dass Eigenschaften des Verbundwerkstoffes, wie beispielsweise Festigkeit, Bruchzähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit, gezielt verbessert oder eingestellt werden können. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens werden zum Erzeugen der Kanäle durchgehende, gerichtete Fasern oder Fasergebilde aus einem zumindest nahezu rückstandslos aus der ersten Phase entfernbaren Material eingebracht und dieses Material anschliessend aus der ersten Phase entfernt. Von besonderem Vorteil ist es dabei, dass dieses Material, da es ja lediglich als vorübergehender "Platzhalter" dient, nicht den hohen und somit in der Regel kostenintensiven Anforderungen an den als zweite Phase dienenden Werkstoff zu genügen braucht. Vorzugsweise besteht das entfernbare Material aus durchgehenden Fasern, Faserstapeln, Faserbündeln, Fasernetzen, Faserschichten, Fasergeweben oder dergl. Dadurch lassen sich, je nach Verwendungszweck und gewünschten Eigenschaften für den Verbundwerkstoff, durchgehende, gerichtete Kanäle auch komplizierter Strukturen auf vorteilhaft einfache Weise erzeugen. Das entfernbare Material besteht dabei vorzugsweise aus mineralischen, metallischen, textilen, natürlichen oder Kunststofffasern oder Fasern auf Glasbasis und wird vorzugsweise durch thermische oder chemische Behandlung entfernt. Beispielsweise werden Kohlenstoff-, Seide- oder Kunststoffasern gerichtet in ein sinterfähiges Siliciumcarbid- oder Siliciumnitridpulver eingebracht und als Gemisch unter Druck in einer isostatischen Presse zu einem Formkörper gebildet. Die Fasern können unter schiedl iche Durchmesser/Längenverhältnisse aufweisen. Die Fasern werden dann aus dem Formkörper oxidierend ausgebrannt, und anschliessend wird der Formkörper gesintert. Eine umgekehrte Reihenfolge ist ebenfalls möglich: der Formkörper wird zunächst unter Schutzgas bei Temperaturen von 1200 bis 2300"C gesintert, anschliessend werden Fasern, wie beispielsweise Kohlenstoffasern, die sich noch nicht zersetzt haben, oxidierend ausgebrannt. Anstelle der obengenannten Fasern verwendete Glasfasern werden entsprechend durch Ausschmelzen oder Säurebehandlung entfernt. Je nach der Ko-mbination der vorgesehenen Werkstoffe ist gegebenenfalls ein Entfernen des die Kanäle bildenden Materials durch chemische Behandlung von Vorteil. Die erste Phase des Verbundwerkstoffes besteht bevorzugt aus eine keramischen Sinterwerkstoff, insbesondere aus eine Oxid oder Oxidgemisch, einem Carbid oder Carbidgemisch, einem Nitril oder Nitridgemisch, einem Borid oder Boridgemisch, einem Silikat oder Silikatgemisch oder deren Gemischen untereinander. In den keramischen Werkstoff, der in der Kegel pul verförig oder als Schlicker vorliegt, werden erfindungsgeäss durchgehende, gerichtete Fasern oder Fasergebilde aus beispielsweise organischem, rückstandslos ausheizbarem Material eingebracht. Diese werden sodann ausgebrannt und bilden somit die gerichteten, durchgehenden Kanäle, in die der als zweite Phase dienende Werkstoff eingebracht wird. Soll der herzustellende Verbundwerkstoff im Hochtemperaturbereich Verwendung finden, so besteht der keramische Sinterwerkstoff vorzugsweise aus Carbiden oder Nitriden oder deren Gemischen, insbesondere jedoch aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder deren Gemischen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird der als zweite Phase dienende Werkstoff durch Tränken oder Infiltrieren, drucklos, unter Druck oder unter Vakuum, kalt oder heiss in die Kanäle eingebracht. Dabei kann er beispielsweise pastös oder flüssig sein. Es versteht sich, dass der als zweite Phase dienende Werkstoff gegenüber der ersten Phase ein entsprechendes, gegebenenfalls durch affinitätssteigernde Zusätze erhöhtes Benetzungsverhalten aufweisen muss. Der Volumenanteil des als zweite Phase dienenden Werkstoffes an dein Gesamtvo- lumen des Verbundwerkstoffes beträgt vorzugsweise 10 bis 90 %. bevorzugt ist der als zweite Phase dienende Werkstoff ein Metall oder eine Metallegierung, beispielsweise ein schmelzflüssiges Metall wie Silicium, ein Oxid oder ein Oxidgemisch, beispielsweise eine oxidische Schmelze oder ein Schmelzgemisch, beispielsweise Boroxid oder Siliciumdioxid, ein carbidhaltiger oder, wie beispielsweise Silicium, carbidbildender Werkstoff oder ein nitridhaltiger oder, wie beispielsweise unter Stickstoffatmosphäre wiederum Silicium, aber auch Aluminium oder Titan, nitridbildender Werkstoff. Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe lassen sich heissisostatisch unter entsprechenden Bedingungen nachverdi-chten, wodurch gleichzeitig ein noch innigerer Kontakt zu dem als zweite Phase dienenden Werkstoff erzielt wird.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbund werkstoffes, insbesondere eines keramischen Verbundwerk stoffes, mit einer durchgehenden, gerichteten zweiten Phase, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase des Ver bundwerkstoffes durchgehende, gerichtete Kanäle erzeugt werden und in diese Kanäle ein als zweite Phase dienender Werkstoff eingebracht wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Kanäle durchgehende, gerichtete Fasern oder Fasergebilde aus einem zumindest nahezu rückstandslos aus der ersten Phase entfernbaren Material eingebracht werden und dieses Material anschliessend aus der ersten Phase ent fernt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das entfernbare Material aus durchgehenden Fasern, Faser stapeln, Faserbündeln, Fasernetzen, Faserschichten, Faser geweben oder dergl. besteht. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das entfernbare Material aus mineralischen, metalli schen, textilen, natürlichen oder Kunststoffasern oder Glasfasern besteht. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass das entfernbare Material durch thermi sche oder chemische Behandlung entfernt wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die erste Phase des Verbundwerkstoffes aus einem keramischen Sinterwerkstoff, insbesondere aus einem Oxid oder Oxidgemisch, einem Carbid oder Carbidge misch, einem Nitrid oder Nitridgemisch, einem Borid oder Boridgemisch, einem Silikat oder Silikatgemisch oder de ren Gemischen untereinander besteht. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder deren Gemischen besteht. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der als zweite Phase dienende Werkstoff durch Tränken oder Infiltrieren, drucklos, unter Druck oder unter Vakuum, kalt oder heiss in die Kanäle einge bracht wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Volumenanteil des als zweite Phase dienenden Werkstoffes an dem Gesamtvolumen des Verbundwerk stoffes 10 bis 90 X beträgt. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der als zweite Phase dienende Werkstoff ein Metall oder eine Metall-Legierung ist. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der als zweite Phase dienende Werkstoff ein Oxid oder Oxidgemisch ist. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der als zweite Phase dienende Werkstoff ein carbidhaltiger oder carbidbildender Werkstoff ist. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der als zweite Phase dienende Werkstoff ein nitridhaltiger oder nltridbildender Werkstoff ist. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass die hergestellten Verbundwerkstoffe durch heissisostatisches Pressen nachverdichtet werden.

Inventors: HAHN, CHRISTOPH, DR., MULLER-ZELL, AXEL, DR., Müller-Zell, Axel, Dr.
Applicants: HUTSCHENREUTHER AG
Application year: 1983
Main classification: C04B35
IPC codes: C04B35, C04B41