DE102014019777A1

DE102014019777A1 - Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff sowie Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014019777A1
Application number: DE102014019777.8A
Authority: DE
Inventors: Mathias Kunz; Bernhard Kanka
Original assignee: Wpx Faserkeramik GmbH
Current assignee: Wpx Faserkeramik GmbH
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff (1) mit einem Kern (2) aus einer Mehrzahl von unidirektional ausgerichteten oxidkeramischen Multifilamentfasern (12), der eingebettet ist in eine Matrix (4) aus einem gesinterten Metalloxid, wobei der Faserverbundwerkstoff (1) zu einem stabförmigen Formkörper (76) mit entlang seiner Längsachse konstantem Querschnitt geformt ist. Der stabförmige Formkörper (76) bildet einen Bogenabschnitt aus. Die Multifilamentfasern (12) sind im stabförmigen Formkörper (76) entlang ihrer Erstreckungsrichtung verdreht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs (1) sowie eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung (100).

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs. Dabei weist der Faserverbundwerkstoff einen Kern aus einer Mehrzahl von oxidkeramischen Fasern auf. Bei diesen Fasern kann es sich beispielsweise um Multifilamentfasern handeln, die z. B. mittels Spinnen aus einem hochviskosen Sol-Gel, nachfolgendem Trocknen und Brennen gewonnen werden können. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird zur Vereinfachung stets von Multifilamentfasern gesprochen, wobei von dieser Formulierung auch beliebige andere Fasern mit umfasst sein sollen. Dieser Kern ist eingebettet in eine Matrix aus einem gesinterten Metalloxid. Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Grünlings für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff, ein vorteilhafter oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff sowie eine Mehrzahl von Produkten hergestellt aus oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffen.
Ein Verfahren zur Herstellung von Hochtemperatur-Faserverbundmaterialien ist beispielsweise aus der DE 198 26 792 A1 bekannt. Das dort offenbarte Verfahren dient zur Herstellung von Faserverbundmaterialien, die einen Kern aus aluminiumoxidreichen Mullitfasern aufweisen, der eingebettet ist in eine Matrix bestehend aus Mullit. Ein entsprechender Faserverbundwerkstoff weist besonders vorteilhafte Eigenschaften auf, wenn seine Porosität im Bereich von 40 bis 60 Volumen % liegt.
Aus der EP 1 734 024 A1 ist ebenfalls ein oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung desselben bekannt. Wie in der DE 198 26 792 basiert auch das aus der EP 1 734 024 A1 bekannte Verfahren darauf, dass ein Bündel von oxidkeramischen Endlosfasern mit einem Schlicker infiltriert wird, der ein oxidkeramisches Pulver umfasst. Nachfolgend wird ein Grünling als Formkörper gebildet, der getrocknet und schließlich gesintert wird, wobei sich der oxidkeramische Faserverbundwerkstoff ausbildet.
Auch aus der EP 1 734 023 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt. Es wird vorgeschlagen, zur Erzielung besonders vorteilhafter Eigenschaften des hergestellten oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs im Schlicker ein sinteraktives oxidkeramisches Pulver einzusetzen, welches wenigstens zwei voneinander verschiedene Korngrößenfraktionen, die unterschiedliche Maxima in der Korngrößenverteilung aufweisen, zu verwenden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einen Bogenabschnitt ausbildenden stabförmigen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff mit vorteilhaften Eigenschaften anzugeben sowie ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu dessen Herstellung. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vorteilhafte Anwendungen eines erfindungsgemäßen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs anzugeben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, einen Faserverbundwerkstoff gemäß Anspruch 13 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 19.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs. Dabei umfasst dieser Faserverbundwerkstoff einen Kern aus einer Mehrzahl von oxidkeramischen Multifilamentfasern. Der Kern ist eingebettet in eine Matrix aus einem gesinterten Metalloxid. In einem ersten Schritt wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein kontinuierlicher Roving gebildet, indem ein Bündel von endlosen oxidkeramischen Multifilamentfasern ausgebildet wird. Unter „endlos” wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Länge verstanden die sehr groß ist im Verhältnis zum Faserdurchmesser. Solche „Endlosfasern” werden typisch konfektioniert durch Aufspulen auf Vorratsrollen, wobei die aufgespulte Länge viele zig bis viele Hundert Meter betragen kann. Ein solches kontinuierliches Bündel aus Endlosfasern wird auch als Roving bezeichnet. Dabei wird das Bündel derart ausgebildet, dass die Multifilamentfasern im Roving unidirektional ausgerichtet sind. Unter unidirektional soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass die einzelnen Multifilamentfasern im Roving sich im Wesentlichen entlang der Erstreckungsrichtung des Rovings erstrecken, wobei jedoch auch Situationen mit umfasst werden sollen, in denen die Multifilamentfasern im Roving miteinander verflochten oder versponnen oder zu einem Garn oder Zwirn verarbeitet sind.
Bei dem kontinuierlichen Roving kann es sich insbesondere um einen Direktroving handeln, der durch die parallele Zusammenfassung der Multifilamentfasern zu einem Bündel erhalten werden kann. Grundsätzlich denkbar ist aber auch die Ausbildung eines assemblierten Rovings, der erhalten wird aus einer vorgegebenen Anzahl von spannungsgleichen Direktrovings durch Fachen. Weiterhin kann ein Roving hergestellt werden durch Verzwirnen von verwendeten Multifilamentfasern. Dabei sind grundsätzlich einstufige, aber auch mehrstufige Zwirne möglich.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird der so erzeugte kontinuierliche Roving mit einem Schlicker infiltriert, der ein feinkörniges sinterfähiges Metalloxid in einer wässrigen Suspension umfasst. Ggf. kann eine Infiltration aber auch vor oder während der Ausbildung des kontinuierlichen Rovings erfolgen.
In einem optionalen weiteren Verfahrensschritt mit vorteilhafter Wirkung wird der ausgebildete, kontinuierliche Roving einer mechanischen Behandlung unterzogen, so dass eine gewünschte Querschnittsform des Rovings erhalten wird. Dabei kann die mechanische Behandlung des Rovings vor dem Infiltrieren des Rovings durchgeführt werden. Sie kann aber auch an dem bereits infiltrierten Roving durchgeführt werden. Insbesondere kann eine mechanische Behandlung des Rovings vor und nach dem Infiltrieren des Rovings mit dem Schlicker erfolgen.
Erfindungsgemäß wird nun aus dem infiltrierten und ggf. bezüglich seiner Querschnittsform eingestellten Rovings ein Grünling als Formkörper ausgebildet, indem ein Abschnitt des infiltrierten und optional auch in seiner Querschnittsform eingestellten Rovings in eine gewünschte zwei oder dreidimensionale Form gebracht. Bei einem solchen Formkörper kann es sich um eine zwei- oder dreidimensionale Struktur handeln, die durch Aufwickeln des infiltrierten und in eine gewünschte Querschnittsform gebrachten Rovings vor dem Trocknen auf einen dreidimensionalen Wickelkörper erhalten wird. Hierzu wird der Wickelkörper bevorzugt um zumindest eine Drehachse gedreht. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Wickelkörper rotationssymmetrisch ist, insbesondere bezüglich der Drehachse, um welche der Wickelkörper während des Aufwickelns des infiltrierten Rovings gedreht wird. Grundsätzlich möglich ist jedoch auch, dass ein Wickelkörper verwendet wird, welcher nicht rotationssymmetrisch ist, sondern beispielsweise quaderförmig mit gerundeten Kanten.
Wird der Wickelkörper während des Wickelns in zumindest einer Raumrichtung bevorzugt quer zur Bewegungsrichtung des filtrierten Rovings translatorisch bewegt, kann eine noch größere Vielzahl von Formkörpern des erzeugten Grünlings realisiert werden.
In vielen Fällen weisen die zur Herstellung verwendeten oxidkeramischen Multifilamentfasern nur eine geringe Elastizität entlang ihrer Faserrichtung auf. Fasst man eine Mehrzahl derartiger Multifilamentfasern zu einem Bündel zusammen und spult ein solches Faserbündel auf einen beispielsweise zylindrischen Wickelkörper auf, so zeigt ein Faserbündel, in welchem die enthaltenen Multifilamentfasern nicht miteinander verflochten oder verzwirnt sind, eine starke Tendenz zur Abflachung. Dies liegt darin begründet, dass außenliegende Multifilamentfasern beim Aufwickeln mit einem größeren Krümmungsradius gekrümmt werden als innenliegende Multifilamentfasern. Die verwendeten Multifilamentfasern können aber häufig praktisch nicht elastisch gedehnt werden. Möchte man vermeiden, dass das auf den Wickelkörper aufgewickelte Faserbündel die vorher aufgeprägte Querschnittsform im Wesentlichen unverändert beibehält, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn während des Wickelns des Rovings auf den Wickelkörper eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper und Roving erzeugt wird. Dabei ist diese Relativdrehung von Wickelkörper und Roving so ausgestaltet, dass der Roving bei einer vollen Umschlingung des Wickelkörpers zumindest einmal um 180° um seine Längsachse verdreht wird. Da auf diese Weise jede im Roving enthaltene Multifilamentfaser während des Umlaufs um den Wickelkörper einmal mit dem maximalen und einmal mit dem minimalen Krümmungsradius beaufschlagt wird, ergeben sich identische Spannungen in allen Multifilamentfasern. Dies führt dazu, dass der auf den Wickelkörper aufgespulte Roving im Wesentlichen die ihm vorher aufgeprägte Querschnittsform beibehält.
Eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper und Roving kann beispielsweise erzeugt werden, indem der erzeugte Roving in sich verdreht wird. Hierzu kann beispielsweise eine geeignete drehbare Lagerung der in der Regel auf Vorratsspulen aufgespulten einzelnen Multifilamentfasern um einen gemeinsamen Drehpunkt verwendet werden, durch den alle Multifilamentfasern des Rovings hindurchgeführt werden
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hingegen der Wickelkörper während des Aufwickelns nicht nur um seine Drehachse gedreht. Vielmehr wird der Wickelkörper zusätzlich kontrolliert um eine weitere Rotationsachse gedreht, welche einen von 0° verschiedenen Winkel mit der Drehachse des Wickelkörpers einschließt, so dass der Wickelkörper seinerseits eine Art Nutationsbewegung um diese Rotationsachse ausführt. Wird dem Wickelkörper eine geeignete Nutationsbewegung aufgeprägt, so kann der auf den Wickelkörper aufgespulte Roving kontrolliert dergestalt verdrillt werden, dass durch das Wickeln verursachte Spannungsunterschiede in den einzelnen Multifilamentfasern gerade ausgeglichen werden.
Insbesondere hat es sich herausgestellt, dass ein besonders vorteilhafter oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff erhalten werden kann, wenn der Formkörper des Faserverbundwerkstoffs entlang seiner Erstreckungsrichtung gekrümmt ist, wobei die Krümmung durch einen Umschlingungswinkel charakterisiert wird, der den Drehwinkel in Bezug auf einen vorgegebenen Drehpunkt charakterisiert und der 360° für einen vollen Umlauf um den Drehpunkt beträgt. Weiterhin ist in dieser Ausgestaltung der Kern des Faserverbundwerkstoffs um einen Verdrillwinkel verdrillt, wobei der Verdrillwinkel gerade so gewählt ist, dass die durch die Krümmung des Formkörpers hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern im Kern gerade ausgeglichen wird. In einer solchen Konfiguration treten bei der Herstellung des oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs geringere Scherkräfte im Kern auf, so dass dieser durch die Einbringung der Krümmung weniger verformt wird als ein vergleichbarer Faserverbundwerkstoff, bei dem die Multifilamentfasern im Kern nicht verdrillt sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Verdrillwinkel im Wesentlichen dem halben Krümmungswinkel entspricht.
Nachfolgend wird der erhaltene Grünling getrocknet. Dabei schließt dieser Trocknungsschritt vorteilhaft mit einer homogenen Feuchtigkeitsverteilung in der Matrix des Grünlings ab. Unter bestimmten Umständen kann es jedoch ausreichend oder sogar vorteilhaft sein, wenn der Trocknungsschritt mit einer inhomogenen Feuchtigkeitsverteilung in der Matrix des Grünlings abschließt, wie sie beispielsweise durch eine oberflächliche Trocknung des Grünlings erzielt werden kann.
In einem letzten Verfahrensschritt wird der Grünling gesintert, wobei sich ein oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff ausbildet.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Verwendung einer nachfolgend noch genauer beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich vielfältige Produkte aus oxidischer Faserverbundkeramik herstellen. Beispielhaft seien hier zugfeste und zugleich biegeelastische gekrümmte Stäbe, Platten und Federn z. B. für Hochtemperaturanwendungen im Bereich 500°C–1300°C genannt. Insbesondere können gekrümmte Stäbe mit einer Länge von 10 mm–1000 mm und mit rundem Querschnitt bei von Durchmessern von 1 mm–50 mm erhalten werden, die sich Herstellung von Blattfedern eignen. Weiterhin können Spiralfedern mit Durchmessern zwischen 10 mm–300 mm erhalten werden.
Die erhaltenen Produkte weisen neben ihrer Hochtemperaturbeständigkeit vorteilhafte Eigenschaften im Zusammenhang mit thermoschockbelasteten Anwendungen auf. So können die erhaltenen Produkte Gradienten von bis zu 1000°C/sec oder 1000°C/cm widerstehen. Auch sind sie unempfindlich bezüglich mechanischer Schockbelastungen sowie Vibrationen und zyklischen Belastungen.
Die im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführte mechanische Behandlung zur Einstellung eines gewünschten Querschnitts des Rovings kann mittels einer Mehrzahl von Verfahren durchgeführt werden, die ggf. auch miteinander kombiniert werden können. So kann der hergestellte Roving beispielsweise durch zumindest eine mechanische Blende hindurchgeführt werden, die einen Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen zum gewünschten Querschnitt des Grünlings führt. Insbesondere kann die Blende einen runden, elliptischen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen, wobei hier grundsätzlich beliebige Formgebungen bezüglich des Querschnitts denkbar sind. Dabei kann eine solche mechanische Blende insbesondere einen sich entlang der Bewegungsrichtung des Rovings bis auf einen Minimalquerschnitt verjüngenden Querschnitt aufweisen, z. B. sich entlang der Bewegungsrichtung konisch verjüngen. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, wenn der Minimalquerschnitt der mechanischen Blende größer ist als der minimale Querschnitt des hindurchgeführten Rovings bei idealer Raumerfüllung der vom Roving umfassten Multifilamentfasern in der Querschnittsebene des Rovings. Bevorzugt wird hier der Minimalquerschnitt der Blende daran angepasst gewählt, ob der Roving bereits infiltriert wurde. Bei einem bereits infiltrierten Roving sollte der Minimalquerschnitt der mechanischen Blende so gewählt werden, dass beim Hindurchführen durch die mechanische Blende die den Roving umgebenden Matrix nicht zu wesentlichen Teilen wieder abgestreift wird.
Wird eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten mechanischen Blenden verwendet, so weisen diese vorteilhaft einen Minimalquerschnitt mit identischer geometrischer Form auf, wobei sich die Abmessungen des Minimalquerschnitts sehr wohl voneinander unterscheiden können.
Durch Vorsehen einer Mehrzahl von in Bewegungsrichtung des Rovings hintereinander angeordneten mechanischen Blenden mit bevorzugt abnehmendem Minimalquerschnitt kann eine kontinuierliche Verdichtung des durch die mechanischen Blenden hindurchgeführten Rovings erzielt werden. Dabei kann der Roving sowohl vor dem Infiltrieren als auch nach dem Infiltrieren durch mechanische Blenden hindurchgeführt werden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Roving sowohl vor dem Infiltrieren als auch nach dem Infiltrieren durch zumindest jeweils eine mechanische Blende hindurchgeführt. Wird der bereits infiltrierte Roving mechanisch komprimiert, so führt die Kapillarwirkung des Schlickers zu einer recht guten mechanischen Zusammenhaftung des Faserbündels.
Die Querschnittsform des Rovings kann weiterhin beeinflusst bzw. eingestellt werden, indem im Roving vorhandene Spannungen oder Verklebungen der zum Roving zusammengefassten Multifilamentfasern gezielt beeinflusst und vermindert werden. Hierzu kann der Roving beispielsweise über eine oder mehrere drehbar gelagerte Walzen geführt werden, wobei insbesondere eine schraubenförmige Führung um zumindest eine Viertel Umdrehung der Walze vorteilhaft sein kann. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Führung über zumindest eine halbe, bevorzugt eine volle Umdrehung der Walze und insbesondere über mehr als eine volle Drehung der Walze. Dabei wurde festgestellt, dass sich eine besonders effektive Minimierung der im Roving vorhandenen Spannungen bzw. Verklebungen ergibt, wenn die Walzen zylindrisch oder sogar konkav ausgebildet sind.
Weiterhin können Spannungen und Verklebungen im Roving vermindert sowie eine sowie Homogenisierung/Durchmischung des multiplen Faserbündels erzielt werden, indem der Roving über eine oder mehrere feststehende oder auch drehbar gelagerte Umlenkelemente wie Umlenkrollen geführt wird. Dabei sind die Umlenkelemente so ausgebildet, dass sich die Bewegungsrichtung des Rovings über ein Umlenkelement um einen von 0° verschiedenen Winkel ändert, insbesondere um einen Winkelbetrag im Bereich von 90°. Erfolgen mehrere kaskadierte Umlenkungen, so können die Drehachsen der jeweiligen Umlenkungen einen von 0° verschiedenen Winkel miteinander einschließen, wobei dieser Winkel insbesondere jeweils etwa 90° betragen kann. Zu einer Kaskadierung von drei hintereinander angeordneten Umlenkelementen ist eine Umlenkung in allen drei voneinander unabhängigen Raumrichtungen beispielsweise um jeweils 90° möglich.
Das Führen über drehbar gelagerte Walzen oder über feststehende oder drehbar gelagerte Umlenkelemente des Rovings vermindert Spannungen im Roving oder Verklebungen der im Roving enthaltenen Multifilamentfasern, so dass der aus synchron zwangsgeführten Endlosfasern bestehende Roving tendenziell einen runden Querschnitt annimmt. Auch diese Verfahren dienen daher zu einer Einstellung der Querschnittsform des Rovings.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffe weisen besonders vorteilhafte mechanische, chemische und thermische Eigenschaften auf, wenn die verwendeten oxidkeramischen Multifilamentfasern einen Anteil von Al₂O₃ aufweisen, der höher ist als 70% bezogen auf das Fasergewicht und bevorzugt zumindest 80% und besonders bevorzugt über 99% beträgt. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von oxidkeramischen Multifilamentfasern des Herstellers 3M erwiesen, die unter den Markennamen Nextel^TM 312, 440, 610 und 720 vertrieben werden. Hierzu wird auf das Ceramic Textiles Technical Notebook verwiesen, welches von der Firma 3M unter dem Link http://solutions.3mdeutschland.de/wps/portal/3M/de_DE/EUEAMD/Home/OurProducts/NextelCeramicTextiles/ zum Download angeboten wird. Die bevorzugt zu verwendende Faser Nextel 610 weist einen Gewichtsanteil von Al₂O₃ von über 99% auf, die ebenfalls bevorzugt zu verwendende Faser Nextel 720 enthält etwa 85-Gew.-% Al₂O₃ und 15 Gew.-% SiO₂.
Zur Herstellung des Schlickers wird bevorzugt ein feinkörniges sinterfähiges Metalloxid verwendet, welches einen hohen Gewichtsanteil von Al₂O₃ umfasst. Hier hat sich als besonders vorteilhaft die Verwendung von feinstgemahlenem Aluminiumoxid erwiesen, welches vorteilhaft einen Gewichtsanteil Al₂O₃ von über 90%, besonders bevorzugt über 95%, insbesondere über 99% aufweist. Weiterhin beträgt der Anteil von α-Al₂O₃ vorteilhaft über 90%, besonders bevorzugt zumindest 95% oder darüber.
Vorteilhaft weist das feinstgemahlene Aluminiumoxid eine monomodale Korngrößenverteilung auf, die charakterisiert ist durch die Werte d₁₀ = 0,1 bis 0,4 Mikrometer, d₅₀ = 0,5 bis 0,8 Mikrometer und d₉₀ = 1,5 bis 3 Mikrometer. Die Korngrößenverteilung weist ein Maximum zwischen 0,1 und 0,4 Mikrometern auf.
Der im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens einzusetzende Schlicker wird hergestellt, indem unter Zusatz von Wasser aus dem verwendeten feinkörnigen sinterfähigem Metalloxid eine Suspension hergestellt wird. Dabei liegt der Gewichtsanteil des Metalloxids in der Suspension typisch zwischen 20 und 90%. Bevorzugt liegt der Gewichtsanteil des Metalloxids in der Suspension über 75% und besonders bevorzugt über 78%. Weiterhin kann dem Schlicker ein wasserlösliches bzw. wasserbasiertes organisches Verflüssigungsmittel zur Einstellung der Viskosität beigegeben werden. Bewährt hat sich die Verwendung von Verflüssigungsmitteln, deren Wirkung darauf beruht, dass funktionelle Gruppen im Verflüssigungsmittel mit Oberflächenladungen des feinkörnigen sinterfähigem Metalloxids wechselwirken. Die hieraus resultierende Umhüllung der Metalloxidpartikel bewirkt eine Viskositätsabnahme im Schlicker. Besonders bevorzugt ist das Verflüssigungsmittel nichtschäumend. Weiterhin hat sich die Verwendung von Verflüssigungsmitteln bewährt, die alkalifrei sind. Vorteilhaft wird das Verflüssigungsmittel dem Schlicker in flüssiger Phase zugesetzt.
Besonders bewährt hat sich die Verwendung von Verflüssigungsmitteln, die Carbonsäure umfassen. Bei der Verwendung eines carbonsäurehaltigen wässrigen Verflüssigungsmittels hat es sich als besonders vorteilhaft ergeben, wenn der Anteil des Verflüssigungsmittels im Schlicker bezogen auf den Feststoffgehalt des Schlickers in der zubereiteten Suspension zwischen 1,5 Gew.-% beträgt, bevorzugt größer ist als 2 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 2 und 3 Gew.-% beträgt.
Zur Trocknung des Grünlings ist es möglich, diesen unter Umgebungsbedingungen trocknen zu lassen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Grünling zur Trocknung mit einer elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt wird. So ist es beispielsweise möglich, eine tiefenwirksame Trocknung des Grünlings herbeizuführen, indem der Grünling mit Mikrowellenstrahlung beaufschlagt wird, deren Frequenz so eingestellt wird, dass das im Grünling enthaltene Wasser effektiv erhitzt wird. Auf diese Weise kann sehr rasch eine effektive Trocknung des Grünlings bewirkt werden, die insbesondere zu einem weitgehend homogenen Konzentrationsprofil von Wasser im Grünling führt.
In einem alternativen Verfahren wird der Grünling zur Trocknung einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt, deren Eindringtiefe gering ist im Verhältnis im Durchmesser des infiltrierten Grünlings. Hierbei kann es sich insbesondere um Infrarotstrahlung handeln.
Ein erfindungsgemäßer oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff umfasst einen Kern aus einer Mehrzahl unidirektional ausgerichteter oxidkeramischer Multifilamentfasern. Dieser Kern ist eingebettet in eine Matrix aus einem gesinterten Metalloxid. Erfindungsgemäß ist der Faserverbundwerkstoff zu einem stabförmigen Formkörper ausgeformt, der entlang seiner Längsachse einen konstanten Querschnitt aufweist.
Weiterhin bildet der stabförmige Formkörper einen Bogenabschnitt aus. Wird ein solcher Bogenabschnitt quer zu seiner Erstreckungsrichtung belastet, ergibt sich eine Federwirkung bei zugleich guter Bruchfestigkeit. Diese kann insbesondere noch erhöht werden, wenn die Multifilamentfasern entlang ihrer Erstreckungsrichtung verdrillt sind, verzwirnt oder miteinander verflochten. Eine Mehrzahl von stabförmigen Formkörpern, die jeweils einen Bogenabschnitt ausbilden, können vorteilhaft mechanisch zu einer Blattfeder zusammengefasst werden, deren mechanische Belastbarkeit insbesondere durch die Zahl der umfassten Formkörper eingestellt werden kann.
In allen hier offenbarten Ausführungsbeispielen für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Faserverbundwerkstoff einen entlang seiner Erstreckungsrichtung im Wesentlichen konstanten, insbesondere runden, elliptischen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
Weiterhin hat es sich herausgestellt, dass ein besonders vorteilhafter oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff erhalten werden kann, wenn der Formkörper des Faserverbundwerkstoffs entlang seiner Erstreckungsrichtung gekrümmt ist, wobei die Krümmung durch einen Umschlingungswinkel charakterisiert wird, der den Drehwinkel in Bezug auf einen vorgegebenen Drehpunkt charakterisiert und der 360° für einen vollen Umlauf um den Drehpunkt beträgt. Weiterhin ist in dieser Ausgestaltung der Kern des Faserverbundwerkstoffs um einen Verdrillwinkel verdrillt, wobei der Verdrillwinkel gerade so gewählt ist, dass die durch die Krümmung des Formkörpers hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern im Kern gerade ausgeglichen wird. In einer solchen Konfiguration treten bei der Herstellung des oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs geringere Scherkräfte im Kern auf, so dass dieser durch die Einbringung der Krümmung weniger verformt wird als ein vergleichbarer Faserverbundwerkstoff, bei dem die Multifilamentfasern im Kern nicht verdrillt sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Verdrillwinkel im Wesentlichen dem halben Krümmungswinkel entspricht.
In einer bevorzugten Weiterbildung weisen die oxidkeramischen Multifilamentfasern einen Anteil von Al₂O₃ auf, der bezogen auf das Fasergewicht höher ist als 70%, bevorzugt zumindest 80% und besonders bevorzugt über 99% Al₂O₃ beträgt. Der zu 100 Gew.-% noch fehlende Anteil kann insbesondere aus SiO₂ bestehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Metalloxid der Matrix ebenfalls Al₂O₃. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Gewichtsanteil Al₂O₃ in der Matrix größer ist als 90%, bevorzugt größer ist als 95% und insbesondere bevorzugt größer ist als 99%.
Als besonders vorteilhaft hat sich ein oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff erwiesen, bei dem sowohl die Multifilamentfasern als auch die Matrix einen Anteil von Al₂O₃ aufweisen, wobei die jeweiligen Gewichtsanteile von Al₂O₃ in der Multifilamentfaser bzw. der Matrix jeweils in den vorstehend angegebenen Bereichen liegen.
Besondere Vorteile in Bezug auf Zug- und Bruchfestigkeit weist der oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff dann auf, wenn der Anteil der Multifilamentfasern im Faserverbundwerkstoff bezogen auf das Gewicht des Faserverbundwerkstoffs mindestens 20% beträgt, bevorzugt größer als 30% und insbesondere bevorzugt mindestens 35% beträgt. Der angegebene Anteil der Multifilamentfaser bezieht sich insbesondere auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Al₂O₃ in der Multifilamentfaser oder in der Matrix oder in beiden, wobei erneut auf die jeweils angegebenen Gewichtsanteile Bezug genommen wird.
Besondere Vorteile bezüglich der Bruchfestigkeit ergeben sich weiterhin, wenn die Porosität der Matrix so eingestellt wird, dass sie zwischen 20 und 60 Vol.-% beträgt, insbesondere zwischen 20 und 40-%. Eine entsprechende Porosität kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt werden, insbesondere wenn die Matrix Al₂O₃ im angegebenen Gewichtsbereich umfasst.
Besondere Vorteile bezüglich der Bruchfestigkeit des erfindungsgemäßen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs ergeben sich insbesondere dann, wenn die Korngrößenverteilung des Metalloxids in der Matrix des Faserverbundwerkstoffs monomodal oder bimodal ist. Als insbesondere vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Korngrößenverteilung des Metalloxids im Faserverbundwerkstoff zumindest ein Maximum aufweist, welches vorteilhaft zwischen 100 und 400 Nanometern liegt.
Weiterhin können besonders vorteilhafte Eigenschaften des oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs realisiert werden, wenn die Multifilamentfasern entlang ihrer Erstreckungsrichtung verdreht sind. Auf diese Weise kann insbesondere eine erhöhte Biegestabilität realisiert werden. Diese kann ebenfalls erzielt werden, wenn die Multifilamentfasern im Kern des Faserverbundwerkstoffs miteinander verzwirnt oder verflochten sind. Allen diesen vorteilhaften Ausgestaltungen ist gemeinsam, dass ein solcher Faserverbundwerkstoff eine hohe Konstanz bezüglich der Geometrie und den Abmessungen der Querschnittsfläche des Faserverbundwerkstoffs entlang seiner Erstreckungsrichtung aufweist.
Weiterhin erhält man einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff mit besonders vorteilhaften Eigenschaften, wenn der Faserverbundwerkstoff zu einem spiralförmigen Formkörper geformt ist. Ein solcher Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise als Zug- oder Druckfeder mit sehr hoher Temperaturstabilität und hoher Bruchfestigkeit Verwendung finden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Herstellung eines Grünlings für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff mit vorteilhaften Eigenschaften vorgesehen. Ein derartiger Faserverbundwerkstoff umfasst einen Kern aus einer Mehrzahl von oxidkeramischen Multifilamentfasern, wobei der Kern eingebettet ist in eine Matrix aus einem gesinterten Metalloxid. Die Vorrichtung umfasst dabei Mittel zum Ausbilden eines kontinuierlichen Rovings durch Bilden eines Bündels von zwangsgeführten, endlosen oxidkeramischen Multifilamentfasern, wobei die Multifilamentfasern im Roving unidirektional ausgerichtet sind. Weiterhin umfasst die Vorrichtung Mittel zum Infiltrieren des Rovings mit einem Schlicker, der ein feinkörniges sinterfähiges Metalloxid in einer wässrigen Suspension umfasst. Schließlich umfasst die Vorrichtung Mittel zum Bilden eines Grünlings in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Formkörpers. Ein solches Mittel kann in insbesondere als manuelle oder automatisierte Wickelstation ausgebildet sein, die im letzteren Fall beispielsweise computergesteuert anhand eines vorgegebenen Bewegungsprogramms einen Formkörper definierter Geometrie auf einen Wickelkörper aufwickelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu eingerichtet, den Wickelkörper bevorzugt um zumindest eine Drehachse zu drehen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Wickelkörper rotationssymmetrisch ist, insbesondere bezüglich der Drehachse, um welche der Wickelkörper während des Aufwickelns des infiltrierten Rovings gedreht wird. Grundsätzlich möglich ist jedoch auch, dass ein Wickelkörper verwendet wird, welcher nicht rotationssymmetrisch ist, sondern beispielsweise quaderförmig mit gerundeten Kanten.
Wird der Wickelkörper während des Wickelns in zumindest einer Raumrichtung bevorzugt quer zur Bewegungsrichtung des filtrierten Rovings translatorisch bewegt, kann eine noch größere Vielzahl von Formkörpern des erzeugten Grünlings realisiert werden. In einer bevorzugten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung daher dazu eingerichtet, eine entsprechende Translationsbewegung zu erzeugen.
Um zu erreichen, dass das auf den Wickelkörper aufgewickelte Faserbündel die vorteilhaft vorher aufgeprägte Querschnittsform im Wesentlichen unverändert beibehält, ist die Vorrichtung erfindungsgemäß dazu eingerichtet, während des Wickelns des Rovings auf den Wickelkörper eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper und Roving zu erzeugen. Dabei ist diese Relativdrehung von Wickelkörper und Roving so ausgestaltet, dass der Roving bei einer vollen Umschlingung des Wickelkörpers zumindest einmal um 180° um seine Längsachse verdreht wird.
Eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper und Roving kann beispielsweise erzeugt werden, indem der erzeugte Roving in sich verdreht wird. Hierzu kann beispielsweise eine geeignete drehbare Lagerung der in der Regel auf Vorratsspulen aufgespulten einzelnen Multifilamentfasern um einen gemeinsamen Drehpunkt vorgesehen sein, durch den alle Multifilamentfasern des Rovings hindurchgeführt werden
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese nicht nur dazu eingerichtet, den Wickelkörper während des Aufwickelns um seine Drehachse zu drehen. Vielmehr ist die Vorrichtung weiterhin dazu eingerichtet, den Wickelkörper zusätzlich kontrolliert um eine weitere Rotationsachse zu drehen, welche einen von 0° verschiedenen Winkel mit der Drehachse des Wickelkörpers einschließt, so dass der Wickelkörper seinerseits eine Art Nutationsbewegung um diese Rotationsachse ausführt. Wird dem Wickelkörper eine geeignete Nutationsbewegung aufgeprägt, so kann der auf den Wickelkörper aufgespulte Roving kontrolliert dergestalt verdrillt werden, dass durch das Wickeln verursachte Spannungsunterschiede in den einzelnen Multifilamentfasern gerade ausgeglichen werden.
Da es sich herausgestellt hat, dass ein besonders vorteilhafter oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff erhalten werden kann, wenn der Formkörper des Faserverbundwerkstoffs entlang seiner Erstreckungsrichtung gekrümmt ist, wobei die Krümmung durch einen Umschlingungswinkel charakterisiert wird, der den Drehwinkel in Bezug auf einen vorgegebenen Drehpunkt charakterisiert und der 360° für einen vollen Umlauf um den Drehpunkt beträgt, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung die Vorrichtung dazu eingerichtet, den Kern des Faserverbundwerkstoffs um einen Verdrillwinkel zu verdrillen. Dabei wird der Verdrillwinkel gerade so gewählt, dass die durch die Krümmung des Formkörpers hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern im Kern gerade ausgeglichen wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass der realisierte Verdrillwinkel im Wesentlichen dem halben Krümmungswinkel entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin Mittel zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform des Rovings durch mechanische Behandlung des Rovings.
Diese optionalen Mittel zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform des Rovings können insbesondere zumindest eine oder mehrere mechanische Blenden umfassen, durch die der Roving hindurchgeführt wird. Alternativ oder ergänzend können die Mittel eine oder mehrere drehbar gelagerte Walzen umfassen, über die der Roving geführt wird. Insbesondere kann dies Mittel so ausgestaltet sein, dass der Roving schraubenförmig über eine oder mehrere insbesondere zylindrische oder konkav ausgebildete Walzen geführt wird. Schließlich kann das Mittel zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform eine oder mehrere feststehende oder auch drehbar gelagerte Umlenkelemente umfassen, über die der Roving geführt wird. Diese Umlenkelemente sind dabei so ausgebildet, dass sich die Bewegungsrichtung des Rovings über das Umlenkelement um jeweils einen von Null Grad verschiedenen Winkel ändert. Die Drehachsen der jeweiligen Umlenkungen können dabei einen von Null Grad verschiedenen Winkel miteinander einschließen, der insbesondere jeweils 90° betragen kann. Alle vorgenannten Mittel zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform des Rovings können einzeln oder auch in Kombination miteinander verwendet werden. Sie können einfach oder auch mehrfach vorgesehen sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin ein Mittel zum Trocknen des Grünlings, wobei es sich insbesondere um eine Infrarotquelle handeln kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zu einer Vorrichtung zur Herstellung eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs weitergebildet werden, indem sie mit einer Sintervorrichtung kombiniert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der angegebenen Weiterbildungen und vorteilhaften Ausgestaltungen im Rahmen des technisch Möglichen frei miteinander kombiniert werden können, auch wenn dieses im Text nicht explizit angegeben ist. Dies gilt insbesondere auch über die Grenzen der Anspruchskategorien Vorrichtung und Verfahren hinweg.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung eines Grünlings für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff bzw. eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer gattungsgemäßen Vorrichtung nach dem internen Stand der Technik der Anmelderin,
2: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung basierend auf der Vorrichtung gemäß 1,
3 und 4: Beispiele für mechanische Bearbeitungsstationen für eine Homogenisierung des Rovings vor seiner Infiltration in schematischer Darstellung, und
5: eine alternative Ausgestaltung des Infiltrationsbads der Vorrichtungen gemäß der 1 und 2.
Zur beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Schlicker 30 zubereitet auf Basis eines hochreinen feinstgemahlenen Aluminiumoxids, wobei der Anteil von Al₂O₃ bezogen auf das Gesamtgewicht des feinstgemahlenen Aluminiumoxids etwa 99,8 Gew.-% beträgt. Der Anteil von α-Al₂O₃ beträgt dabei mindestens 95%. Die Korngrößenverteilung des feinstgemahlenen Aluminiumoxids ist dabei monomodal und lässt sich charakterisieren durch d₁₀ = 0,1 bis 0,4 Mikrometer, d₅₀ = 0,5 bis 0,8 Mikrometer und d₉₀ = 1,5 bis 3 Mikrometer. Die Korngrößenverteilung weist ein Maximum zwischen 0,1 und 0,4 Mikrometern auf..
Der Schlicker 30 wird zubereitet aus dem vorgenannten feinstgemahlenen Aluminiumoxid, Wasser und einem Verflüssiger auf Carbonsäurebasis, wobei der Gewichtsanteil des Aluminiumoxids im Schlicker ca. 80% beträgt. Weiterhin wird der Verflüssiger auf Carbonsäurebasis in wässriger Form in einem Gewichtsanteil von ca. 2 bis 3% zugesetzt. Als verbliebene Komponente wird Wasser zugefügt. Alle drei Komponenten werden intensiv miteinander vermischt, bis man eine hochviskose Suspension erhält. Eine Vermahlung während des Vermischens ist nicht erforderlich.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100, die zur Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Faserverbundwerkstoffs geeignet ist, ist schematisch in 1 dargestellt. Diese Vorrichtung 100 stellt den unveröffentlichten hausinternen Stand der Technik bei der Inhaberin der vorliegenden Anmeldung dar.
Eine Mehrzahl von endlosen Multifilamentfasern 12 des Typs Nextel^TM 610 (Fasergewicht 3.000 den, 10.000 den oder 20.000 den) wird mittels einer Abrollvorrichtung 18 von Vorratsspulen 14 abgespult und zu einem Roving zusammengeführt.
Die Abwicklung der Multifilamentfasern 12 von einer oder mehreren Vorratsspulen 14 kann passiv erfolgen oder durch einen gesteuerten Antrieb der Vorratsspulen 14. Die Lagerung der Vorratsspulen 14 kann weiterhin so ausgeführt werden, dass eine kontrollierte Bewegung der Vorratsspulen 14 senkrecht zu ihrer jeweiligen Wickelachse möglich ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sämtliche Vorratsspulen 14 gemeinschaftlich bewegt werden können, z. B. um eine gemeinsame Drehachse, die insbesondere mit der Bewegungsrichtung des zu einem Roving 10 zusammengeführten Faserbündels zusammenfallen kann, wie dies aus der Fertigung von Tauen oder Seilen bekannt ist. Dies ermöglicht eine kontrollierte Verdrillung des Faserbündels in Längsrichtung, was insbesondere bei der Fertigung von auf einen Wickelkörper 72 aufgewickelten Formkörpern wie Schraubenfedern vorteilhaft sein kann.
Der so erhaltene Roving 10 wird einem Schlickerbad 34 zugeführt, welchem zugleich der vorstehend beschriebene Schlicker 30 in ausreichender Menge zugeführt wird. Indem der Roving 10 durch das Schlickerbad 34 hindurchgeführt wird, wird dieser infiltriert, dergestalt dass sich eine intensive Durchdringung des Rovings 10 mit dem Schlicker 30 ergibt, die sich insbesondere auch auf den Bereich zwischen den Fasern des aus einem Bündel von Multifilamentfasern 12 bestehenden Rovings 10 erstreckt. Zusätzliche Umlenkungen des Rovings 10 im Schlickerbad 34 über Zylinder 50 mit glatter Oberfläche garantieren eine vollständige Infiltration.
Nachfolgend wird der infiltrierte Roving 10 durch eine Mehrzahl von hintereinander folgenden mechanischen Blenden geführt, die jeweils einen runden Querschnitt aufweisen, wobei der Blendenquerschnitt sich entlang der Bewegungsrichtung des Rovings 10 kontinuierlich verjüngt. Der minimale Querschnitt der verwendeten Blenden wird dabei so gewählt, dass er größer ist als der Mindestquerschnitt des Rovings 10 der erhalten wird bei optimaler Raumerfüllung der Multifilamentfasern 12. Die Blenden 40 weisen dabei jeweils eine runde Querschnittsfläche auf.
Nachfolgend wird der infiltrierte und bezüglich der Querschnittsform eingestellte Roving 10 einer Trocknungsstation 80 zugeführt, innerhalb derer der Roving 10 entlang einer definierten Strecke Infrarotstrahlung ausgesetzt wird, die eine zumindest oberflächliche Trocknung des infiltrierten Rovings 10 bewirkt.
Nachfolgend wird der durch die Trocknung erhaltene Grünling 20 weiterhin in einem kontinuierlichen Prozess einer Sintervorrichtung 90 zugeführt, bei der sich beispielsweise um einen Ofen mit mehreren diskreten Temperaturzonen handeln kann. Im genannten Ausführungsbeispiel hat sich es als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der infiltrierte getrocknete Roving bei einer Temperatur von etwa 1.200°C über eine Zeit von ca. 60 Minuten gesintert wird.
An die Sintervorrichtung 90 schließt sich eine Abkühlstation 94 an, in welche der sich in der Sintervorrichtung 90 ausbildende oxidkeramische Faserverbundwerkstoff 1 nach dem Durchlaufen der Sintervorrichtung 90 eintritt und in der eine Abkühlung des erhaltenen Faserverbundwerkstoffs 1 beispielsweise mittels Pressluft bewirkt wird.
Nach Durchlaufen der Abkühlstation 94 wird der nunmehr abgekühlte erhaltene Faserverbundwerkstoff 1 einer Schneidvorrichtung 96 zugeführt, in der Stücke in gewünschter Länge von dem im kontinuierlichen Prozess erhaltenen endlosen Faserverbundwerkstoff 1 abgelängt werden.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Ziehvorrichtung 98, welche dazu vorgesehen ist, den Roving 10 während des kontinuierlich arbeitenden Verfahrens durch die verschiedenen Stationen der dargestellten Vorrichtung 100 hindurch zu transportieren. Diese Ziehvorrichtung 98 stellt damit eine Zwangsführung dar. Sie kann beispielsweise auf Basis eines Exzenterspanners arbeiten, der bei jeder Umdrehung einen definierten Vorschub des zwangsgeführten Rovings 10 bewirkt.
Die mittels der hier dargestellten Vorrichtung 100 erhaltenen Abschnitte aus einem oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff 1 weisen einen runden Querschnitt auf, der entlang der Längsachse der erhaltenen Werkstoffabschnitte eine sehr gute Konstanz aufweist. Insbesondere können Abschnitte erhalten werden, deren runder Durchmesser entlang ihrer Längsachse um weniger als ±5% variiert. Die so erhaltenen Abschnitte eignen sich aufgrund ihrer geometrischen Eigenschaften, ihrer sehr guten elektrischen Isolationsfähigkeit sowie ihrer extrem guten Temperaturbeständigkeit hervorragend als elektrisch isolierende, hochhitzebeständige und korrosionsfeste Distanzelemente, die auch in stark korrosiven Umgebungen eingesetzt werden können.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung der aus 1 ersichtlichen Vorrichtung 100. Für gleiche Bauteile werden in 1 und 2 gleiche Bezugszeichen verwendet. Es wird daher auf die betreffende Beschreibung der Vorrichtung 100 gemäß 1 verwiesen.
Die Vorrichtung gemäß 2 unterscheidet sich in ihrem Aufbau von der Vorrichtung gemäße 1 in verschiedenen Punkten. So umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 gemäß 2 beispielsweise eine Mehrzahl mechanischer Blenden 40 im Gegensatz zur Vorrichtung 100 gemäß 1, die nur eine mechanische Blende 40 umfasst.
Nach Durchlaufen der Mehrzahl mechanischer Blenden 40 wird bei der Vorrichtung 100 gemäß 2 der infiltrierte und bezüglich seines Querschnitts eingestellte Roving 10 nicht einer Trocknungsstation 80 zugeführt, sondern einer CNC-gesteuerten Wickelstation 70, in welcher der infiltrierte Roving 10 automatisiert auf einen Wickelkörper 72 aufgewickelt wird. Durch Steuerung der Drehbewegung, des Winkels zwischen der Drehachse des Wickelkörpers 72 und der Bewegungsrichtung des zugeführten Rovings 10 sowie einer Translationsbewegung des Wickelkörpers 72 in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rovings 10 können mittels der CNC-gesteuerten Wickelmaschine 70 auch komplexe Formkörper erzeugt werden.
Praktisch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 dazu eingerichtet, den Wickelkörper 72 bevorzugt um zumindest eine Drehachse zu drehen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Wickelkörper 72 rotationssymmetrisch ist, insbesondere bezüglich der Drehachse, um welche der Wickelkörper 72 während des Aufwickelns des infiltrierten Rovings 10 gedreht wird.
Weiterhin ist die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet, den Wickelkörper 72 während des Wickelns in zumindest einer Raumrichtung bevorzugt quer zur Bewegungsrichtung des filtrierten Rovings 10 translatorisch zu bewegen.
Die Vorrichtung 100 gemäß 2 ist weiterhin dazu eingerichtet, während des Wickelns des Rovings 10 auf den Wickelkörper 72 eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper 72 und Roving 10 zu erzeugen. Dabei ist diese Relativdrehung von Wickelkörper 72 und Roving 10 so ausgestaltet, dass der Roving 10 bei einer vollen Umschlingung des Wickelkörpers 72 zumindest einmal um 180° um seine Längsachse verdreht wird.
Eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper 72 und Roving 10 kann beispielsweise erzeugt werden, indem der infiltrierte Roving 10 in sich verdreht wird. Hierzu ist eine geeignete drehbare Lagerung der auf den Vorratsspulen 14 aufgespulten einzelnen Multifilamentfasern um einen gemeinsamen Drehpunkt vorgesehen, durch den alle Multifilamentfasern des Rovings 10 hindurchgeführt werden.
Schließlich ist die Vorrichtung 100 gemäß 2 dazu eingerichtet, den Wickelkörper 72 zusätzlich kontrolliert um eine weitere Rotationsachse zu drehen, welche einen von 0° verschiedenen Winkel mit der Drehachse des Wickelkörpers 72 einschließt, so dass der Wickelkörper 72 seinerseits eine Art Nutationsbewegung um diese Rotationsachse ausführt. Wird dem Wickelkörper 72 eine geeignete Nutationsbewegung aufgeprägt, so kann der auf den Wickelkörper 72 aufgespulte Roving 10 kontrolliert dergestalt verdrillt werden, dass durch das Wickeln verursachte Spannungsunterschiede in den einzelnen Multifilamentfasern gerade ausgeglichen werden.
Die Vorrichtung 100 gemäß 2 ist also dazu eingerichtet, den Kern 2 des Faserverbundwerkstoffs 1 kontrolliert um einen Verdrillwinkel zu verdrillen. Dabei wird der Verdrillwinkel gerade so gewählt, dass die durch die Krümmung des Formkörpers 72 hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern im Kern 2 gerade ausgeglichen wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Vorrichtung 100 so eingerichtet ist, dass der realisierte Verdrillwinkel im Wesentlichen dem halben Krümmungswinkel entspricht.
Ist der Formkörper fertiggestellt, so wird dieser von dem kontinuierlichen Roving 10 abgetrennt und weiterhin auf den Wickelkörper 72 aufgewickelt einer Trocknungsstation 80 zugeführt. Ist der so gebildete dreidimensional geformte Grünling 20 ausreichend getrocknet, so dass er eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist, kann der Wickelkörper 72 entfernt werden und der so erhaltene dreidimensionale geformte eigenstabile Grünling 20 einer geeigneten Sintervorrichtung 90 zugeführt werden. Bei dieser kann es sich beispielsweise um einen Kammerofen handeln, in dem der Grünling 20 bei einer Temperatur von etwa 1.200° über etwa 1 Stunde gesintert wird.
Nachfolgend wird der erhaltene oxidkeramische Faserverbundwerkstoff 1 der Sintervorrichtung 90 entnommen und kann nach ausreichender Abkühlung, welche beispielsweise wiederum in einer Abkühlstation 94 beschleunigt werden kann, einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
Die mittels der in 2 dargestellten Vorrichtung 100 erhaltenen dreidimensional spiralig geformten Faserverbundwerkstoffe 1 eignen sich insbesondere als hochtemperaturfeste, ausgezeichnet ermüdungsbeständige Keramikfedern, deren besonderer Vorteil darin begründet liegt, dass sie auch bei Temperaturen oberhalb von 500°C und darüber ihre Federwirkung nicht verlieren. Sie eignen sich daher insbesondere für eine Verwendung in der chemischen Prozesstechnik oder in Härtereiverfahren, bei denen Bauteile auch bei hohen Temperaturen unter Verwendung mechanischer Federn mit einer konstanten Haltekraft beaufschlagt werden müssen.
Der Querschnitt des aus mehreren Multifilamentfasern 12 bestehenden Rovings 10 kann weiterhin mittels einer zusätzlichen, in den 1 und 2 nicht dargestellten mechanischen Bearbeitungsstation 42 beeinflusst werden. Zwei Beispiele hierfür sind in den 3 und 4 schematisch dargestellt ist. Die gezeigten mechanischen Bearbeitungsstationen 42 sind zu einer Integration in eine Vorrichtung gemäß 1 oder 2 geeignet. So kann sie beispielsweise in den Bereich zwischen die Mittel 16 zur Zusammenführung der Multifilamentfasern 12 zu einem Roving 10 und der mechanischen Blende 40 eingefügt werden.
Die in den 3 und 4 dargestellten mechanischen Bearbeitungsstationen 42 dienen insbesondere einer Homogenisierung des Rovings 10 vor seiner Infiltration. In der in 3 gezeigten Ausführung umfasst diese zusätzliche mechanische Bearbeitungsstation 42 eine drehbar gelagerte Walze 50 mit zylindrischem Querschnitt, deren Außenkontur konkav ist. In der Bearbeitungsstation 42 wird der Roving 10 schraubenförmig über die Walze 50, die passiv oder motorgetrieben sein kann, geführt.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführung einer zusätzlichen Bearbeitungsstation 42 zur Homogenisierung des Rovings 10 wird dieser sukzessive über drei orthogonal angeordnete Umlenkrollen 60 geführt, die die Bewegungsrichtung des Rovings 10 nacheinander in allen drei Raumrichtungen jeweils um 90° ändern. Eine solche Bearbeitungsstation 42 ist in 4 beispielhaft gezeigt. Die Oberflächen der Umlenkrollen 60 können auch mit Borsten versehen sein. Anstelle der Umlenkrollen 60 können auch feststehende Ablenkelemente verwendet werden, über die der Roving 10 geführt wird.
Eine alternative Ausgestaltung eines Schlickerbads 34 ist schließlich in 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird der Roving 10 in vertikaler Richtung durch das Schlickerbad 34 hindurchgeführt, um eine eventuelle Verformung des infiltrierten Rovings 10 unter dem Einfluss der Gravitation weitestgehend zu vermeiden. Auch wird der Roving 10 kontinuierlich durch das Schlickerbad 34 hindurchgeführt, dem parallel Schlicker 30 in der erforderlichen Menge zugeführt wird. Die Durchführöffnung 36 des Schlickerbads 34 für den Roving ist dabei in Bewegungsrichtung sich konisch verjüngend ausgeführt. Die Länge der Infiltrationsstrecke im Schlickerbad 34 wird durch den Füllstand des Schlickers 30 bestimmt. Dieser kann durch einen definierten Überlauf eingestellt oder über eine elektronische Füllstandsmessung und Steuerung der Schlickerzufuhr zum Schlickerbad 34 gesteuert werden
In Bewegungsrichtung nachfolgend ist ein Auffangbecken 38 mit einer Durchführöffnung 39 für den infiltrierten Roving 10 angeordnet, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser der Durchführöffnung 36 des Schlickerbads 34. Hierdurch wird ein gewisser Anteil des Schlickers 30 wieder vom infiltrierten Roving 10 abgestreift. Eine Überwachung der abgestreiften Menge kann als Maß für die Infiltration verwendet werden und insbesondere zu einer Steuerung der Infiltrationsstrecke/-zeit im Schlickerbad 34 z. B. durch Steuerung der Rovinggeschwindigkeit oder des Füllstands im Schlickerbad 34 herangezogen werden.
Bezugszeichenliste

1: oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff
2: Kern
4: Matrix
10: Roving
12: Multifilamentfaser
14: Vorratsspule
16: Mittel zum Ausbilden eines kontinuierlichen Rovings
20: Grünling
30: Schlicker
32: Mittel zum Infiltrieren eines Rovings mit einem Schlicker
34: Schlickerbad
36: Durchführöffnung ⌀ D1
38: Auffangbecken
39: Durchführöffnung ⌀ D2
40: mechanische Blende
42: Mittel zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform eines Rovings
50: Walze
60: Umlenkelement
70: Wickelstation
72: Wickelkörper
74: spiraliger Formkörper
76: stabförmiger Formkörper
80: Mittel zum Trocknen eines Grünlings
90: Sintervorrichtung
94: Abkühlstation
96: Schneidvorrichtung
98: Ziehvorrichtung
100: Vorrichtung zur Herstellung eines Grünlings für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff
102: Vorrichtung zur Herstellung eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19826792 A1 [0002]
EP 1734024 A1 [0003, 0003]
DE 19826792 [0003]
EP 1734023 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://solutions.3mdeutschland.de/wps/portal/3M/de_DE/EUEAMD/Home/OurProducts/NextelCeramicTextiles/ [0027]

Claims

Kontinuierliches Verfahren zur Herstellung eines Grünlings (20) für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff (1), wobei der Faserverbundwerkstoffs (1) einen Kern (2) aus einer Mehrzahl von oxidkeramischen Multifilamentfasern (12) aufweist, wobei der Kern (2) eingebettet ist in eine Matrix (4) aus einem gesinterten Metalloxid, mit folgenden Verfahrensschritten a. Ausbilden eines kontinuierlichen Rovings (10) durch Bilden eines zwangsgeführten Bündels von endlosen oxidkeramischen Multifilamentfasern (12), wobei die Multifilamentfasern (12) im Roving (10) unidirektional ausgerichtet sind, b. Infiltrieren des Rovings mit einem Schlicker (32), der ein feinkörniges sinterfähiges Metalloxid in einer wässrigen Suspension umfasst, c. Bilden eines Grünlings (20) als Formkörper, indem der infiltrierte Roving (10) auf einen Wickelkörper (72) aufgewickelt wird, wobei der Wickelkörper (72) um eine Drehachse gedreht wird und während des Wickelns eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper (72) und Roving (10) erzeugt wird, so dass der Roving (10) dergestalt verdreht wird, dass die durch die Krümmung des Formkörpers (72) hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern (12) im Kern (2) gerade ausgeglichen wird, d. Trocknen des Grünlings (20), und e. Sintern des Grünlings (20) unter Bildung des oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs (1).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roving (10) bei einer vollen Umschlingung des Wickelkörpers (72) einmal um 180° um seine Längsachse verdreht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (72) rotationssymmetrisch ist, insbesondere bezüglich der Drehachse.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse während des Wickelns um zumindest eine Schwenkachse geschwenkt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (72) während des Wickelns in zumindest einer Raumrichtung translatorisch bewegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch mechanische Behandlung des infiltrierten Rovings (10) vor dem Aufwickeln auf den Wickelkörper (72) eine gewünschte Querschnittsform des Rovings (10) eingestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform des Rovings (10) eingestellt wird durch eines der folgenden Verfahren oder Kombinationen dieser Verfahren: a. der Roving (10) wird durch zumindest eine mechanische Blende (40) hindurchgeführt, b. der Roving (10) wird über eine oder mehrere drehbar gelagerte Walzen (50) geführt, insbesondere schraubenförmig, wobei die Walzen (50) insbesondere zylindrisch oder konkav ausgebildet sein können, c. der Roving (10) wird über eine oder mehrere feststehende oder drehbar gelagerte Umlenkelemente (60) geführt, die jeweils so ausgebildet sind, dass sich die Bewegungsrichtung des Rovings (10) um einen von Null Grad verschiedenen Winkel ändert, wobei die Drehachsen der jeweiligen Umlenkungen einen von Null Grad verschiedenen Winkel miteinander einschließen können, der insbesondere 90° betragen kann.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Blende (40) einen sich entlang der Bewegungsrichtung des Rovings (10) bis auf einen Minimalquerschnitt verjüngenden Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalquerschnitt größer ist als der minimale Querschnitt des hindurchgeführten Rovings (10) bei idealer Raumerfüllung der umfassten Multifilamentfasern (12) in der Querschnittebene.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl in Bewegungsrichtung des Rovings (10) hintereinander angeordneter mechanischer Blenden (40) vorgesehen ist, durch die der Roving (10) hindurchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (40) jeweils einen Minimalquerschnitt aufweisen und die Minimalquerschnitte entlang der Bewegungsrichtung des Rovings (10) abnehmen.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (40) jeweils einen Minimalquerschnitt mit identischer geometrischer Form aufweisen.
Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff (1) mit einem Kern (2) aus einer Mehrzahl von unidirektional ausgerichteten oxidkeramischen Multifilamentfasern (12), der eingebettet ist in eine Matrix (4) aus einem gesinterten Metalloxid, wobei der Faserverbundwerkstoff (1) zu einem stabförmigen Formkörper (76) mit entlang seiner Längsachse konstantem Querschnitt geformt ist, wobei der stabförmige Formkörper (76) einen Bogenabschnitt ausbildet und die Multifilamentfasern (12) im stabförmigen Formkörper (76) entlang ihrer Erstreckungsrichtung verdreht sind.
Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (1) entlang seiner Erstreckungsrichtung: a. gekrümmt ist, wobei die Krümmung durch Umschlingungswinkel charakterisiert wird, der den Drehwinkel bezüglich eines Drehpunkts charakterisiert und der 360° für einen vollen Umlauf um den Drehpunkt beträgt, b. um einen Verdrillwinkel verdrillt ist, wobei der Verdrillwinkel so gewählt ist, dass die durch die Krümmung hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern gerade ausgeglichen wird.
Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrillwinkel dem halben Umschlingungswinkel entspricht.
Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (1) zu einem spiralförmigen Formkörper (74) geformt ist.
Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von stabförmigen Formkörpern (76) zu einer Blattfeder zusammengefasst sind.
Oxidkeramischer Faserverbundwerkstoff (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff (1) einen runden, elliptischen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung (100) zur Herstellung eines Grünlings (20) für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff (1), wobei der Faserverbundwerkstoff (1) einen Kern (2) aus einer Mehrzahl von oxidkeramischen Multifilamentfasern (12) aufweist, wobei der Kern (2) eingebettet ist in eine Matrix (4) aus einem gesinterten Metalloxid, mit folgenden Merkmalen: a. Mittel (16) zum Ausbilden eines kontinuierlichen Rovings (10) durch Bilden eines Bündels von zwangsgeführten endlosen oxidkeramischen Multifilamentfasern (12), wobei die Multifilamentfasern (12) im Roving (10) unidirektional ausgerichtet sind, b. Mittel (32) zum Infiltrieren des Rovings (10) mit einem Schlicker (30), der ein feinkörniges sinterfähiges Metalloxid in einer wässrigen Suspension, und c. Mittel (70) zum Bilden eines Grünlings (20) als zwei- oder dreidimensionaler Formkörper, mit einem Wickelkörper (72), der um eine Drehachse drehbar ist, so dass der infiltrierte Roving (10) auf dem Wickelkörper (72) aufgewickelt werden kann, wobei die Mittel (70) dazu eingerichtet sind, während des Wickelns eine rotatorische Relativbewegung von Wickelkörper (72) und Roving (10) zu erzeugen, um den Roving (72) um seine Längsachse zu verdrehen.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (70) zum Bilden eines Grünlings (20) als zwei- oder dreidimensionaler Formkörper dazu eingerichtet sind, der Roving (10) so um seine Längsachse zu verdrehen, dass die durch die Krümmung des Formkörpers (72) hervorgerufene Längenvariation zwischen den einzelnen Multifilamentfasern (12) im Kern (2) gerade ausgeglichen wird.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (70) zum Bilden eines Grünlings (20) als zwei- oder dreidimensionaler Formkörper dazu eingerichtet sind, der Roving (10) bei einer vollen Umschlingung des Wickelkörpers (72) einmal um 180° um seine Längsachse zu verdrehen.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) Mittel (42) zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform des Rovings (10) durch mechanische Behandlung des Rovings (10) umfasst.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (42) zum Einstellen einer gewünschten Querschnittsform des Rovings (10) folgendes umfassen: a. zumindest eine mechanische Blende (40), durch die der Roving (10) hindurchgeführt wird, b. eine oder mehrere drehbar gelagerte Walzen (50), über die der Roving (10) geführt wird, insbesondere schraubenförmig, wobei die Walzen (50) insbesondere zylindrisch oder konkav ausgebildet sein können, c. eine oder mehrere feststehende oder drehbar gelagerte Umlenkelemente (60), über die der Roving (10) geführt wird und die jeweils so ausgebildet sind, dass sich die Bewegungsrichtung des Rovings (10) um einen von Null Grad verschiedenen Winkel ändert, wobei die Drehachsen der jeweiligen Umlenkungen einen von Null Grad verschiedenen Winkel miteinander einschließen können, der insbesondere 90° betragen kann.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) weiterhin Mittel (80) zum Trocknen des Grünlings (20) umfasst.
Vorrichtung (102) zur Herstellung eines oxidkeramischen Faserverbundwerkstoffs (1), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 19 sowie eine Sintervorrichtung (90).