DE4021547A1 - Verfahren zum herstellen von faserverstaerkten bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen, bei dem ein Trägerkörper mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial beschich­ teten Faser umgeben wird, der mit der Faser versehene Trägerkörper von einer Kapsel umgeben wird und die Kapsel evakuiert und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck ausgesetzt wird.

Bei einem derartigen Herstellungsverfahren wird ein sogenannter heißisostatischer Preßvorgang zum Her­ stellen des faserverstärkten Bauteils verwendet. Beim heißisostatischen Pressen (nachfolgend der Einfachheit halber auch nur mit Pressen bezeichnet) werden in eva­ kuierten Kapseln, die beispielsweise aus Stahl oder Glas bestehen, bei hohen Drucken (bis zu 1900 bar) und hohen Temperaturen (z. B. 900 bis 1800°C) Bauteile, beispielsweise aus Pulvern, allseitig gepreßt. Tempera­ tur und Druck müssen so gewählt werden, daß eine "fließende Verformung" der Kapsel und des in den Kapseln befindlichen Materials gegeben ist. Dieser kon­ ventionelle heißisostatische Preßvorgang kann auch zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden. Dabei wird ein Trägerkörper (beispielsweise ein Rohr, wenn eine faserverstärkte Welle hergestellt werden soll) von (kontinuierlichen) Einzelfasern um­ geben, die mit einem Beschichtungsmaterial (im folgen­ den mit Matrixmaterial bezeichnet) beschichtet sind. Der mit den beschichteten Fasern versehene Trägerkörper wird ggf. von einer Matrixmaterialschicht umgeben (so­ genannter Grünling) und in einer gasdichten Kapsel ein­ geschlossen, die nach einer eventuellen Ausgasung des in ihr befindlichen Materials und zum Evakuieren kurz­ zeitig erhitzt und anschließend verschlossen wird. Da­ nach wird die Kapsel in einem Ofen erhitzt sowie all­ seitig einem hohen Druck (s. obige Betriebsparameter) ausgesetzt. Aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Druckes wird der Duktilitätspunkt von Kapsel, Matrix­ material und Trägerkörpermaterial erreicht, so daß diese Materialien "ineinanderfließen" und so das herzu­ stellende Bauteil erzeugt wird. Das heißisostatisch gepreßte Bauteil weist also zwei Schalen (Träger und Matrixmaterialschicht außen um die Faserschicht herum) auf, die eine Nachbearbeitung des gepreßten Bauteils erlauben, ohne die Fasern zu beschädigen. Als Faser­ material kommt beispielsweise eine Siliziumcarbid-Faser (SiC-Faser) und als Matrixmaterial Titan in Frage. Titan hat den Vorteil des relativ geringen Gewichts und der recht hohen Temperaturresistenz. Als Material für die Matrix (Faserbeschichtung) kann aber auch eine keramische Substanz eingesetzt werden. Die auf die obige Weise hergestellten Faserverbundwerkstoffe sind insbesondere im Hochtemperaturbereich einsetzbar.

Bei der Herstellung von faserverstärkten Bauteilen durch heißisostatisches Pressen kann der Preßvorgang zu einer Belastung der Fasern senkrecht zur Faserachse und als Folge davon zum Faserbruch führen, was wiederum den Verbundwerkstoff schwächt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bauteilen zu schaf­ fen, bei dem Faserbruch vermieden wird.

Gemäß einer ersten Variante der Erfindung erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß der Trägerkörper mit mindestens einem Faserband umwickelt wird, das aus im wesentlichen parallelen, in mindestens einer Ebene an­ geordneten, mit Matrixmaterial beschichteten Fasern be­ steht, wobei die einzelnen Fasern innerhalb des Faser­ bandes in dem Matrixmaterial eingebettet sind und der Faserband-Querschnitt im wesentlichen rechteckförmig ist.

Nach der ersten Variante der Erfindung wird der Träger­ körper mit mindestens einem Endlos-Faserband umwickelt. Das Endlos-Faserband besteht aus mehreren Endlos- Fasern, die nebeneinanderliegend im wesentlichen in mindestens einer Ebene angeordnet und in Matrixmaterial eingebettet sind. Der Querschnitt des Faserbandes ist im wesentlichen rechteckförmig. Statt einlagiger Faser­ bänder können auch mehrlagige Bänder verwendet werden, bei denen die Einzelfasern in mehreren Ebenen neben­ einanderliegend angeordnet sind. Auf die Faserband­ schicht wird dann noch Matrixmaterial aufgebracht, um bei der späteren, nach dem heißisostatischen Pressen erfolgenden Nachbearbeitung des Bauteils eine nicht von Fasern durchsetzte und damit bearbeitbare Außenschicht zu erhalten.

Dadurch, daß die Einzelfasern des Faserbandes voll­ ständig in dem Matrixmaterial eingebettet sind, ist eine Verschiebung bzw. Bewegung der Fasern senkrecht zur Faserachse während des Preßvorganges weitestgehend unmöglich. Der Rechteck-Querschnitt des Faserbandes erlaubt es, das Endlos-Faserband nach einer Umwicklung des Trägerkörpers zwischenraumfrei an den bereits ge­ wickelten Faserbandabschnitt um den Träger herum weiterzulegen. Somit wird beim späteren Preßvorgang auch eine Verschiebung der Fasern benachbarter Faser­ bandabschnitte verhindert.

Mit der Erfindung wird also die Umwicklung von Träger­ körpern aus faserverstärkten Werkstoffen ohne Poren und ohne Faserbruch ermöglicht.

Die Anzahl der in dem Faserband zusammengefaßten Endlos-Fasern richtet sich unter anderem nach der Größe und geometrischen Form des herzustellenden Bauteils. Die Stärke des Faserbandes kann bis zu einigen 100 Mikrometern betragen. Diese Werte stellen bevor­ zugte Dimensionsangaben dar.

Soll der Trägerkörper von mehreren Faserband-Schichten umgeben bzw. umschlossen werden, ist gemäß einer vor­ teilhaften Weiterbildung dieser ersten erfindungsge­ mäßen Variante vorgesehen, beim Umwickeln des Trägers die Faserbänder jeweils zweier aufeinanderfolgender Schichten gegeneinander versetzt anzuordnen. Die Faser­ bänder unterschiedlicher Schichten liegen also "auf Lücke", womit beim heißisostatischen Preßvorgang die Zwischenräume der aneinanderstoßenden Faserbandab­ schnitte der einzelnen Schichten, soweit nach dem Wickeln vorhanden, zuverlässig durch das sich ver­ formende Matrixmaterial ausgefüllt werden.

Gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß die mit Matrixmaterial be­ schichtete Faser mit einer Schicht aus Klebematerial versehen wird, auf die ein feinkörniges Pulvermaterial aufgebracht wird, und daß der Trägerkörper mit der der­ art auf ihrer Umfangsfläche mit Pulvermaterial versehe­ nen, beschichteten Faser umwickelt wird.

Gemäß dieser zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Faser, bei der es sich vorteil­ hafterweise um eine Endlos-Faser handelt, auf ihrer Umfangs-(Mantel-)Fläche mit Klebematerial versehen und anschließend mit einem feinkörnigen pulvrigen Material bestäubt oder in ein derartiges Material eingetaucht oder in sonstiger Weise mit dem Pulvermaterial ver­ sehen. Die derart auf ihrer Umfangsfläche mit Pulver­ material versehene Endlos-Faser wird nun um den Träger­ körper herumgewickelt. Dabei legen sich die einzelnen Pulverpartikel in die Zwischenräume zwischen die Fasern innerhalb einer Wicklungslage und zwischen den Wick­ lungslagen. Damit sind die Freiräume zwischen benach­ barten einanderliegenden Endlosfaser-Abschnitten mit dem feinkörnigen Pulvermaterial weitgehend ausgefüllt, so daß Bewegungen der Fasern beim Preßvorgang so gut wie ausgeschlossen, d. h. nahezu vollständig unterdrückt sind.

Das Pulvermaterial sollte vorteilhafterweise sehr fein­ körnig gegenüber dem Durchmesser der Endlos-Faser sein. Beispielsweise sollten die Partikel des Pulvermaterials etwa 10 Mikrometer Durchmesser aufweisen, wenn die matrixbeschichtete Faser 100 bis 150 Mikrometer dick ist.

Statt der getrennten Aufbringung von Klebe- und Pulver­ material ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Variante der Erfindung vorgesehen, die Faser mit einer Pulver-Kleber-Suspension zu beschichten. Diese Suspension befindet sich dann auf der Umfangsfläche des Matrixmaterials. Die Umwicklung des Trägerkörpers mit der mit Kleber und Pulver versehenen Faser sollte er­ folgen, solange die einzelnen Pulverkörner noch relativ beweglich und verschiebbar sind und noch nicht fest an dem Matrixmaterial haften. Vorzugsweise wird ein Kleber verwendet, der nach Umwicklung des Trägerkörpers mit der Faser verdampft oder sich verflüchtigt. Dieser Vor­ gang kann im Zusammenhang mit dem Ausgasen der Kapsel, das im allgemeinen zusammen mit der Evakuierung der Kapsel erfolgt, erreicht werden.

Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der (mehrlagig) mit der matrixbeschichteten Faser versehene Trägerkörper vor dem Einkapseln mit einem Umhüllungsmaterial versehen wird, dessen Duktilitätspunkt unter demjenigen des Matrixmaterials liegt, und daß nach dem Einkapseln und Evakuieren die Kapsel zunächst einer Temperatur und/oder oder einem Druck ausgesetzt wird, bei denen sich zu­ nächst nur das Umhüllungsmaterial verformt.

Der mit der matrixbeschichteten Faser versehene Träger­ körper (Grünling) wird vor dem Einkapseln mit einem Umhüllungsmaterial, auf welches eventuell Matrixmate­ rial aufgebracht ist, versehen. Der Duktilitätspunkt dieses Umhüllungsmaterials liegt unter demjenigen des Matrixmaterials, so daß beim heißisostatischen Pressen sich das Umhüllungsmaterial vor dem Matrixmaterial ver­ formt. Der heißisostatische Preßvorgang erfolgt hierbei in zwei Stufen. Zunächst werden die Temperatur und der Druck derart eingestellt, daß der Duktilitätspunkt des Umhüllungsmaterials erreicht wird, so daß sich das Um­ hüllungsmaterial verformt und in die Zwischenräume (Poren) der Faserschicht des Grünlings eindringt und diese verschließt. Durch weitere Erhöhung von Tempera­ tur und/oder Druck bis zur Verformung des Matrixmate­ rials wird der porenfreie Grünling weiter verdichtet.

Vorteilhafterweise besteht der Träger aus Matrixmate­ rial; bei Erreichung des Duktilitätspunktes des Matrix­ materials der Fasern verformt sich also auch das Trägermaterial, so daß mit Erreichen des Duktilitäts­ punktes des Matrixmaterials eine fließende Verformung zwischen den beschichteten Fasern und dem Träger er­ folgt. Als Trägermaterial kommen aber auch sonstige geeignete Materialien in Frage.

Eine mögliche Variante besteht darin, den Träger nach dem Wickeln und vor dem Einkapseln zu entfernen. Diese Variante gilt für sämtliche im Rahmen dieser Erfindung beschriebenen Weiterbildungen.

Die Wahl der Materialien für die Matrix und die Umhül­ lung ist kritisch, da es unter anderem folgende Effekte zu beachten gilt:

• a) Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien und der Faser müssen einander angepaßt sein,
• b) Wechselwirkungen (chemischer Art, Diffusion, Bil­ dung neuer Phasen, Reaktion) zwischen den Mate­ rialien sollten soweit wie möglich vermieden werden und
• c) die Bildung von Grenzflächenreaktionsprodukten zwischen den beiden Materialien sollte unter­ drückt werden.

Diese Effekte sind jedoch ohnehin typisch für komplexe Werkstoffe, wie Faserverbundwerkstoffe; Lösungen für diese Probleme sind also prinzipiell gegeben. So kann etwa die Wechselwirkung zwischen den Materialien für die Umhüllung und die Matrix durch eine dünne Schutz­ schicht auf der Matrix oder der Umhüllung minimiert werden.

Die dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich insbesondere zum sogenannten kapselfreien heißisostatischen Pressen. Hierzu ist gemäß einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen, daß zum Einkapseln der mit der matrixbeschichteten Faser ver­ sehene Trägerkörper mit einem gasdichten Umhüllungs­ material vollständig beschichtet wird und daß an­ schließend der derart gebildete Raum evakuiert wird und der eingekapselte Trägerkörper erhitzt und einem all­ seitigen Druck ausgesetzt wird, bis der Duktilitäts­ punkt des Umhüllungsmaterials erreicht ist. Das Vakuum in dem durch die Umhüllung gebildeten Raum wird vor­ teilhafterweise gleichzeitig mit dem Beschichtungs­ prozeß erzeugt, da die Beschichtung im Vakuum erfolgt.

Bei Verwendung eines gasdichten Umhüllungsmaterials kann auf die gesonderte Einkapselung des Grünlings ver­ zichtet werden. Vielmehr stellt das Umhüllungsmaterial selbst die Kapsel dar.

Das Umhüllungsmaterial kann bei den Verfahren gemäß der dritten und vierten Variante der Erfindung auf ver­ schiedenen Arten auf den gewickelten oder in sonstiger Weise mit der Endlos-Faser versehenen Träger aufge­ bracht werden. Eine vorteilhafte erste Möglichkeit be­ steht in der physikalischen Beschichtung des Grünlings in einem physikalischen Verdampfungsprozeß, bei dem das Umhüllungsmaterial verdampft, sich auf dem Grünling niederschlägt und dabei die Poren nach außen ver­ schließt. Dadurch sind die inneren Poren gasfrei, denn der Beschichtungsprozeß erfolgt im Vakuum. Der Be­ schichtungsprozeß kann aber auch auf chemische Weise erfolgen. Dabei erfolgt die Infiltration des Grünlings mit Umhüllungsmaterial durch einen chemischen Abschei­ dungsprozeß, der auch in den Poren abläuft. Eine wei­ tere vorteilhafte Möglichkeit zum Aufbringen des Um­ hüllungsmaterial auf den Grünling besteht im Eintauchen des Grünlings in eine Schmelze oder eine Pulversuspen­ sion aus Umhüllungs- oder Matrixmaterial. Das Ein­ dringen des Umhüllungsmaterial in die Poren wird dabei durch Druckbeaufschlagung der Schmelze oder der Pulver­ suspension gefördert (Druckinfiltration). Das Beschich­ tungsmaterial sollte unter Berücksichtigung der für die Matrix, die Fasern, das Umhüllungsmaterial und das Trägermaterial geltenden Eigenschaften gewählt werden.

Wird der Grünling im Vakuum in eine Schmelze aus Umhül­ lungsmaterial eingetaucht, setzen sich die Frei- oder Zwischenräume in dem äußeren Bereich der Faserschicht zu. Sollten sich nicht alle Zwischenräume zusetzen, so kann nach dem Eintauchen des Grünlings in die Schmelze und Erstarren des Umhüllungsmaterials auf dem Grünling dieser sofort heißisostatisch gepreßt werden, da die noch vorhandenen Zwischenräume bereits evakuiert sind. Diese Variante stellt die sogenannte Schmelzinfiltra­ tion des Grünling mit Umhüllungsmaterial beim "kapsel­ freien" heißisostatischen Pressen dar.

Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Bauteil durch mindestens eine mit Matrix­ material beschichteten Faser verstärkt wird, ist da­ durch gekennzeichnet, daß Fasermatten aus mit Matrix­ material beschichteten Fasern verwendet werden, wobei die einzelnen Fasern in dem Matrixmaterial eingebettet sind, und daß die Fasermatten in eine der Form des her­ zustellenden Bauteils entsprechenden verschließbaren Kapsel eingebracht werden, die nach Evakuierung und Ausgasung erhitzt sowie einem allseitig wirkenden Druck ausgesetzt wird. Bei dem Verfahren gemäß dieser Varian­ te wird die der Form des herzustellenden Bauteils ent­ sprechende verschließbare Kapsel mit Fasermatten ausge­ füllt. Die Fasermatten bestehen aus mehreren in einer Ebene nebeneinanderliegenden Einzelfasern, die in Matrixmaterial eingebettet sind. Wegen dieser voll­ ständigen porenfreien Einbettung der Fasern in Matrix­ material ist ihre Bewegung in der zur Faserachse (Fasererstreckung) senkrechten Richtung unterbunden. Es können auch mehrere Fasermatten übereinandergelegt werden.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Fasererstreckungen der übereinanderliegenden Fasermatten unterschiedlich sind, insbesondere die Fasern zweier übereinander­ liegender Fasermatten unter verschiedenen Winkeln, z. B. 30°, 45° oder 90°, zueinander verlaufen. Hierdurch wird eine hohe Festigkeit des Werkstoffs in mehreren Rich­ tungen erzielt.

Die Größe der verwendeten Fasermatten hängt von der geometrischen Form des herzustellenden Bauteils ab. Die Form der Kapsel sollte möglichst der Form des herzu­ stellenden Bauteils angepaßt sein. Das aus den einzelnen Fasermatten zusammengesetzte Bauteil sollte eine Form aufweisen, die eine Zusammensetzung aus ein­ zelnen Fasermatten ermöglicht; die Fasermatten selbst haben im wesentlichen die Form von extrem dünnen (einige 100 Mikrometer) Bögen, die aus Matrixmaterial bestehen, in das die einzelnen Fasern eingebettet sind.

Vorteilhafterweise werden bei den ersten vier obigen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens matrixmate­ rialbeschichtete Endlos-Fasern eingesetzt, also konti­ nuierliche Fasern, mit denen der Trägerkörper auf be­ queme Weise umwickelt werden kann (Grünling).

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des heißiso­ statischen Preßvorganges bei der Herstellung faserverstärkter Bauteile,

Fig. 2 perspektivisch einen rohrförmigen Trägerkörper, um dessen Mantelfläche ein Endlos-Faserband gewickelt wird,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 perspektivisch einen rohrförmigen Trägerkörper, um dessen Mantelfläche eine Einzel-Endlosfaser mehrlagig gewickelt wird,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V der Fig. 4 und

Fig. 6 einen Längsschnitt durch das eine Ende eines mit einer Einzelfaser umwickelten rohrförmigen Trägerkörpers, der von Umhüllungsmaterial um­ geben ist.

Anhand von Fig. 1 soll nachfolgend der heißisostatische Preßvorgang beschrieben werden. In einer Druckkammer 10 ist ein Behälter (eine Kapsel) 12 untergebracht. Die Kapsel 12 besteht aus einem im wesentlichen hohlzylin­ derförmigen Teil 14, an dessen einer Stirnseite ein Deckel 16 zum Öffnen und Schließen des Teils 14 ange­ setzt ist. In der Kapsel 12 untergebracht ist ein rohr­ förmiger Trägerkörper 18, dessen Außenmantelfläche mit einer beschichteten Endlosfaser 20 umwickelt ist. Bei der Endlosfaser 20 handelt es sich z. B. um eine Sili­ ziumcarbid-Faser, die mit einem Material (sogenanntes Matrixmaterial), beispielsweise Titan, beschichtet ist. Der genaue Aufbau der Faser ist in Fig. 1 nicht darge­ stellt; eine vergrößerte Querschnittsansicht der Faser ist in Fig. 5 wiedergegeben. Der Trägerkörper 18 be­ steht ebenfalls aus Matrixmaterial, also in diesem Fall aus Titan, während die Kapsel aus Stahl oder Glas be­ steht. Von außen auf die Endlosfaserschicht aufgebracht ist eine Schicht 21 aus Matrixmaterial, an der die Innenseite der Kapselwand anliegt.

Zum heißisostatischen Pressen der Kapsel 20 und des in dieser befindlichen umwickelten Trägerkörpers 18, des sogenannten Grünlings, wird die Kapsel 12 zunächst eva­ kuiert und zum schnellen Entfernen aller adsorbierten Gase erwärmt. Danach wird in der Kapsel 12 ein Vakuum gebildet. Die Kapsel 12 wird vom Vakuum-Pumpstand durch Zuschweißen des Verbindungsrohres 19 getrennt. Die eva­ kuierte Kapsel 12 wird in der Druckkammer 10 einem hohen Druck von etwa 1900 bar und einer hohen Tempera­ tur von ca. 900°C ausgesetzt. Da die Kapsel 12 den Grünling sowohl von außen als auch von innen umschließt und evakuiert ist, preßt sie sich aufgrund des hohen Druckes allseitig an den Grünling an. Aufgrund der Tem­ peraturerhöhung wird der Duktilitätspunkt des Matrix­ materials erreicht, und das Matrixmaterial unter Ein­ wirkung des Druckes verformt. Auf diese Weise verbinden sich das Matrixmaterial der Faserbeschichtung und der Trägerkörper 18 sowie die Kapsel 12 mit beidem. Das Ergebnis ist ein Siliziumcarbid-faserverstärktes Bau­ teil.

Beim heißisostatischen Preßvorgang besteht die Gefahr, daß auf die Fasern Kräfte ausgeübt werden, die quer zur Faserlängserstreckung wirken. Derartige Kräfte führen leicht zum Faserbruch, was die Güte des gefertigten Bauteils herabsetzt. Zur Vermeidung von Faserbruch ist es erforderlich, daß die beschichtete Faser den Träger­ körper möglichst "porenfrei" umgibt. Bestehen nämlich zwischen den Faserwicklungen keine Freiräume, wird auch der Bewegungsfreiraum der Fasern beim heißisostatischen Pressen eingeschränkt.

In den Fig. 2 und 3 ist grafisch das mehrlagige Um­ wickeln des Trägerkörpers 18 mit einem Endlos-Faserband 22 dargestellt. Das Endlos-Faserband 22 besteht aus fünf in einer Ebene nebeneinanderliegenden parallel zueinander verlaufenden Endlos-Einzelfasern 20 (bei­ spielsweise Siliziumcarbid-Fasern), die in Matrix­ material 24 eingebettet sind. Die Einbettung der Ein­ zelfasern 20 in das Matrixmaterial 24 erfolgt durch den Einzelfaser-Beschichtungsprozeß selbst, indem fünf nebeneinanderlaufende Einzelfasern gleichzeitig mit Matrixmaterial beschichtet werden. Das Endlos-Faserband 22 weist einen im wesentlichen rechteckförmigen Quer­ schnitt auf. Aufgrund dieses rechteckförmigen Quer­ schnittes läßt sich das Faserband 22 ohne Zwischenraum zwischen den einzelnen Windungen um den Trägerkörper 18 wickeln. Da auch in dem Faserband 22 selbst keine freien Zwischenräume vorhanden sind, weisen die Faser­ bandschichten insgesamt keine Poren auf, weshalb sich die Einzelfasern beim Preßvorgang nicht bewegen können.

Der Durchmesser einer Einzelfaser 20 beträgt etwa 100 Mikrometer. Das Faserband 22 selbst ist etwa 150 Mikro­ meter stark. Die Breite des Faserbandes 22 hängt von der Anzahl in einer Ebene angeordneter Einzelfasern 20 ab. In den Fig. 2 und 3 ist ein Faserband 22 darge­ stellt, dessen Einzelfasern 20 in einer Ebene angeord­ net sind. Ebenso lassen sich aber auch Faserbänder ver­ wenden, in denen die Endlosfasern in einigen wenigen Ebenen, beispielsweise bis zu fünf Ebenen, angeordnet sind. Die Dicke des Faserbandes 22 vergrößert sich mit der Anzahl der "Faserebenen".

Aufgrund der Einbettung der Einzelfasern bei deren Be­ schichtungsprozeß in Matrixmaterial und dem Querschnitt der Faserbänder werden die Poren im gewickelten Träger­ körper (Grünling) minimiert, so daß die Gefahr von Faserbruch reduziert ist.

In den Fig. 4 und 5 ist grafisch die Umwicklung des Trägerkörpers 18 mit einer Endlos-Einzelfaser 20 darge­ stellt. Wie man anhand von Fig. 5 erkennt, bilden sich beim Umwickeln des Trägerkörpers 18 mit der Endlosfaser 20 zwischen den einzelnen Wicklungslagen relativ große im Querschnitt etwa dreieckförmige Zwischenräume 26. Beim heißisostatischen Pressen verformt sich das die Seele der Einzelfaser 20 umgebende Matrixmaterial und "fließt" (das Matrixmaterial ist nicht flüssig sondern lediglich verformbar) in die Zwischenräume 26 hinein, was zur Folge hat, daß sich die einzelnen Faserab­ schnitte gegeneinander verschieben, womit es wiederum zum Faserbruch kommen kann. Bei der in den Fign. 4 und 5 dargestellten Wicklungsmethode wird die Umfangsfläche der Endlosfaser 20 mit einem (nicht dargestellten) Klebematerial versehen, auf das feinkörniges Pulver 28 aufgebracht wird. Zu diesem Zweck wird die Endlosfaser 20 vor dem Umwickeln des Trägerkörpers 18 in eine Pulver-Kleber-Suspension getaucht. Die einzelnen Par­ tikel des Pulvers 28 werden beim Umwickeln des Träger­ körpers 18 in die sich zwischen den einzelnen Windungen bildenden Zwischenräume 26 gedrückt und füllen diese aus. Durch die Pulverpartikel wird der Anteil an Poren in der Faserschicht reduziert, was die Gefahr von Faserbruch beim späteren heißisostatischen Preßvorgang verringert.

Die mit der Pulver-Kleber-Suspension versehene Einzel­ faser 20 sollte um den Trägerkörper 18 gewickelt werden, solange die Pulverpartikel noch nicht fest an der Einzelfaser anhaften, sondern noch verschiebbar sind, um sich beim Umwickeln des Trägerkörpers 18 in die Zwischenräume 26 setzen zu können bzw. in diese gedrückt werden zu können.

Bei dem Kleber handelt es sich um ein Material, das sich beim der Evakuierung der Kapsel 12 und der sich darauf anschließenden Ausgasung verflüchtigt. Das Pulvermaterial muß dem Matrixmaterial entsprechend ge­ wählt werden und bezüglich seines Ausdehnungskoeffi­ zienten, seiner Wechselwirkung und der Bildung von Grenzflächenreaktionsprodukten an das Matrixmaterial angepaßt sein. Eine Variante davon ist die Verwendung von Pulver als Matrixmaterial.

In Fig. 5 ist neben der Wickeltechnik auch der Aufbau der Einzelfaser 20 zu erkennen. Bei diesem Beispiel weist die Einzelfaser 20 eine Seele 30 aus Silizium­ carbid auf, um die herum in einem Beschichtungsprozeß ein Mantel 32 aus Matrixmaterial aufgebracht ist.

Es ist zu beachten, daß die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Teile nicht den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen. Der Trägerkörper ist in Be­ zug zu den Faserdicken in seinen Abmessungen zu klein dargestellt. Dennoch wurde die in den Figuren wiederge­ gebene Darstellungsweise gewählt, um die erfindungsge­ mäßen Techniken zum nahezu "porenfreien" Versehen eines Trägerkörpers mit (Endlos-)Fasern zu verdeutlichen.

In Fig. 6 ist ein mit einer Einzelfaser 20 umwickelter rohrförmiger Trägerkörper 18 dargestellt, der von einem Umhüllungsmaterial 34 umgeben ist. Das Umhüllungsmate­ rial 34 umgibt den Trägerkörper 18 gasdicht sowohl auf dessen Innenseite als auch auf dessen mit der umwickel­ ten Endlosfaser 20 versehenen Außenseite. Das Umhül­ lungsmaterial weist einen niedrigeren Duktilitätspunkt auf als das Matrixmaterial, aus dem die Faserbeschich­ tung und der Trägerkörper bestehen. Beim heißisosta­ tischen Preßvorgang werden zunächst die Temperatur und der Druck auf diejenigen Werte eingestellt, bei denen der Duktilitätspunkt des Umhüllungsmaterial erreicht wird. Jetzt verformt sich das Umhüllungsmaterial, wobei es aufgrund des Druckes in die Zwischenräume zwischen den einzelnen Faserwindungen bzw. -wicklungen gepreßt wird. Danach werden der Druck und die Temperatur bis zum Duktilitätspunkt des Matrixmaterial erhöht, so daß die Faserbeschichtungsschicht, der Trägerkörper und das Umhüllungsmaterial ineinanderfließen und somit ein faserverstärktes Bauteil aus einem Mehrkomponentenwerk­ stoff bilden.

Ist das Umhüllungsmaterial gasdicht, kann beim heiß­ isostatischen Preßvorgang die Umhüllung als den Grün­ ling umschließende Kapsel eingesetzt werden. Diese aus dem Umhüllungsmaterial bestehende Kapsel wird wie beim heißisostatischen Pressen vorgesehen, evakuiert, ausge­ gast und dem allseitig wirkenden Druck sowie der hohen Temperatur ausgesetzt. Wird das Umhüllungsmaterial in einem Beschichtungs- oder Abscheidungsprozeß, also im Vakuum aufgebracht, entfällt die Evakuierung. Für dieses sogenannte "kapselfreie" heißisostatische Pres­ sen ist der komplette Einschluß des Grünlings mit Um­ hüllungsmaterial 34 (Aufbringen des Umhüllungsmaterials auf der gesamten Oberfläche des Grünlings) zwingend erforderlich. Soll das Umhüllungsmaterial lediglich zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Faserwick­ lungen verwendet werden, braucht der Grünling lediglich auf seinem von den Fasern gebildeten Oberflächenbereich mit Umhüllungsmaterial versehen zu sein, da der derart präparierte Grünling von der (separaten) Kapsel 12 zum heißisostatischen Pressen eingeschlossen wird.

Die Erfindung wurde anhand der Herstellung von Bau­ teilen beschrieben, die mit einer titanbeschichteten Siliziumcarbid-Faser verstärkt sind. Titan zeichnet sich unter anderem durch seine hohe Temperaturbestän­ digkeit aus. Der Einsatz der hergestellten Bauteile, z. B. Turbinenantriebswellen, ist daher insbesondere auch bei hohen Temperaturen noch möglich.

Claims (13)

1. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau­ teilen, bei dem

• - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
• - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) von einer Kapsel (12) umgeben wird und
• - die Kapsel (12) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck aus­ gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Trägerkörper (18) mit mindestens einem Faserband (22) umwickelt wird, das aus im wesentlichen parallelen, in mindestens einer Ebene angeordneten mit Matrixmaterial (24) be­ schichteten Fasern (20) besteht, wobei die ein­ zelnen Fasern (20) innerhalb des Faserbandes (22) in dem Matrixmaterial (24) eingebettet sind und der Faserband-Querschnitt im wesent­ lichen rechteckförmig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umwickeln des Trägerkörpers (18) mit mehreren Faserbänder-Schichten die Faserbänder (22) jeweils zweier aufeinanderfolgender Schichten gegeneinander versetzt angeordnet werden.

3. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau­ teilen, bei dem

• - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
• - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) von einer Kapsel (12) umgeben wird und
• - die Kapsel (12) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck aus­ gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß die mit Matrixmaterial (24) beschichtete Faser (20) mit einer Schicht aus Klebematerial versehen wird, auf die ein feinkörniges Pulver­ material (28) aufgebracht wird, und
• - daß der Trägerkörper (18) mit der derart auf ihrer Umfangsfläche mit Pulvermaterial (28) versehenen, beschichteten Faser (20) umwickelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser (20) mit einer Pulver-Kleber-Suspen­ sion beschichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kleber nach dem Umwickeln des Trägerkörpers (18) mit der Faser (20) durch Ver­ dampfung oder Verflüchtigung entfernt wird.

6. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau­ teilen, bei dem

• - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
• - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) von einer Kapsel (12) umgeben wird und
• - die Kapsel (12) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck aus­ gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der mit der matrixbeschichteten Faser (20) versehene Trägerkörper (18) vor dem Einkapseln mit einem Umhüllungsmaterial (34) versehen wird, dessen Duktilitätspunkt unter demjenigen des Matrixmaterials liegt, und
• - daß nach dem Einkapseln und Evakuieren die Kapsel (12) zunächst einer Temperatur und/oder einem Druck ausgesetzt wird, bei denen sich zunächst nur das Umhüllungsmaterial (34) ver­ formt und in Zwischenräume zwischen den Fasern (20) eindringt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend die Temperatur und/oder der Druck bis zur Verformung des Matrixmaterials (24) erhöht wird bzw. werden.

8. Verfahren zum Herstellen von faserverstärkten Bau­ teilen, bei dem

• - ein Trägerkörper (18) mit mindestens einer mit einem Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) umgeben wird,
• - der mit der Faser versehene Trägerkörper (18) von einer Kapsel (12) umgeben wird und
• - die Kapsel (12) evakuiert, ausgegast und danach erhitzt sowie allseitig einem hohen Druck aus­ gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß zum Einkapseln der mit der matrixbeschich­ teten Faser (20) versehene Trägerkörper (18) mit einem gasdichten Umhüllungsmaterial (34) vollständig beschichtet wird und
• - daß anschließend der derart gebildete Raum eva­ kuiert wird und der eingekapselte Trägerkörper (18) erhitzt und einem allseitigen Druck ausge­ setzt wird, bis der Duktilitätspunkt des Umhül­ lungsmaterials (34) erreicht ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Umhüllungsmaterial (34) durch Beschichten, Infiltrieren oder durch Eintauchen des mit der matrixbeschichteten Faser (20) versehenen Trägerkörpers (18) in eine Schmelze oder eine Pulversuspension aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit Umhüllungsmaterial physi­ kalisch in einem physikalischen Verdampfungsprozeß erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration des mit der matrixbeschichte­ ten Faser (20) versehenen Trägerkörpers (18) chemisch in einem chemischen Abscheidungsprozeß erfolgt.

12. Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Bau­ teile, bei dem das Bauteil durch mindestens eine mit Matrixmaterial (24) beschichteten Faser (20) verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Fasermatten aus mit Matrixmaterial be­ schichteten Fasern (20) verwendet werden, wobei die einzelnen Fasern in dem Matrixmaterial (24) eingebettet sind, und
• - daß die Fasermatten in eine der Form des her­ zustellenden Bauteils entsprechenden verschließ­ baren Kapsel (12) eingebracht werden, die nach Evakuierung und Ausgasung erhitzt sowie einem allseitig wirkenden Druck ausgesetzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Fasermatten übereinander­ gelegt werden, wobei die Erstreckung der Fasern übereinanderliegender Fasermatten unterschiedlich ist, insbesondere die Fasern zweier übereinander­ liegender Fasermatten rechtwinklig zueinander ver­ laufen.