DE69317939T2

DE69317939T2 - Hochtemperaturbeständiger Verbundwerkstoff mit Honigwabenstruktur und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69317939T2
Application number: DE69317939T
Authority: DE
Inventors: Andre F-33290 Le Pian Medoc Delage; Jean-Michel F-33170 Gradignan Georges; Jean-Pierre F-33150 Cenon Maumus
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1992-06-04
Filing date: 1993-06-02
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2013-06-03
Also published as: JPH06134319A; NO931973D0; ES2115737T3; RU2111122C1; JP3371016B2; ATE165043T1; NO931973L; UA26423C2; DE69317939D1; US5514445A; EP0573353B1; NO180261B; EP0573353A1; CA2096864A1; CA2096864C; NO180261C; FR2691923B1; US5415715A; FR2691923A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Wabengefügen aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial.
Die bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterialien sind gekennzeichnet durch ihre mechanischen Eigenschaften, die sie dazu geeignet machen, Strukturelemente auszubilden, und durch ihre Fähigkeit, ihre mechanische Eigenschaften bis zu hohen Temperaturen beizubehalten. Typische bei erhöhter Temperatur tragfähige Verbundmaterialien sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff (C-C)- Verbundmaterialien und die Verbundmaterialien mit keramischer Matrix (CMC).
Die C-C-Verbundmaterialien sind aufgebaut aus einem Verstärkungsgefüge oder einer Vorform aus Kohlenstoffasern, das bzw. die durch eine Kohlenstoffmatrix verdichtet ist. Die CMC sind aufgebaut aus einer Vorform aus hitzebeständigen Fasern (Fasern aus Kohlenstoff oder aus Keramik), die durch eine Keramikmatrix verdichtet ist. Ein zur Herstellung von CMC gängigerweise verwendetes keramisches Material ist das Siliciumcarbid (SiC).
Die Vorform eines C-C-Verbundmaterials oder eines CMC wird hergestellt durch Stapeln oder Aufeinanderlegen von eindimensionalen Schichten (Vliese aus zueinander parallelen Fäden oder Seilen) oder mehrdimensionalen Schichten (Gewebelagen, Faserstoffe, Filzlagen) oder durch Aufwickeln von Fäden, Streifen oder Bändern, oder auch durch dreidimensionales Weben. Im Falle von aufeinandergelegten Schichten können diese untereinander durch Nadelung, durch Nähen oder durch Einbringen von hindurchlaufenden Fäden untereinander verbunden werden. Die Vorformen werden hergestellt ausgehend von Fasern aus Kohlenstoff oder aus Keramik oder, allgemeiner, ausgehend von Fasern aus einem Kohlenstoff- oder Keramik-Vorläufer, wobei die Umwandlung des Vorläufers nach den zur Herstellung der Vorform notwendigen textilen Vorgängen ausgeführt wird.
Die Verdichtung der Vorform zielt darauf ab, deren zugänglichen Porenraum durch das die Matrix bildende Material auszufüllen. Diese Verdichtung kann ausgeführt werden durch Imprägnieren der Vorform mittels einer flüssigen Phase, die einen Vorläufer des Matrixmaterials enthält, gefolgt von einer Umwandlung des Vorläufers, oder durch chemische Infiltration in der Dampfphase.
Die vorstehend angesprochenen Techniken zur Herstellung von fasrigen Vorformen aus Kohlenstoff oder Keramik und zur Verdichtung durch eine Matrix aus Kohlenstoff oder Keramik sind wohlbekannt.
Es gibt mehrere Verfahren zur Herstellung von Wabengefügen.
Ein erstes bekanntes Verfahren (Figuren 1A, 1B und 1C, und JP-A-1 119 574) besteht darin, Flachmaterialstücke 10 zu stapeln und versetzt zu verkleben. Die Verklebung wird entlang paralleler Streifen 12 ausgeführt, wobei die Klebestreifen, die sich auf einer Seite eines Flachmaterialstücks befinden, bezüglich denen, die sich auf der anderen Seite befinden, verschoben sind (Fig. 1A). Die Gesamtheit der Flachmaterialstucke wird senkrecht zu den Klebestreifen in Stücke 14 geschnitten. Dann wird jedes Stuck in zu den Seiten der Flachmaterialstücke senkrechter Richtung auseinandergezogen (Pfeile f der Fig. 1B), um durch Verformung hexagonale Waben 16 (Fig. 1C) zu ergeben. Auf diese Weise wird eine Wabenplatte 18 erhalten, auf die beidseitig ein Metall- oder Verbundmaterial-Flachmaterial aufgeklebt werden kann.
Ein solches Verfahren wird zur Herstellung metallischer Wabengefüge verwendet. Die Flachmaterialstucke 10 werden in ein metallisches Bandmaterial geschnitten, und die Waben 16 werden durch plastische Verformung des Metalls erzeugt.
Dieses Verfahren kann auch ausgehend von Flachmaterialstücken aus Karton oder aus Papier durchgeführt werden. In diesem letzteren Fall können die Papierblätter nach dem Aufstapeln und versetzten Verkleben mit einem Harz, beispielsweise einem Phenolharz, imprägniert werden. Die Vernetzung der Harzes wird nach Ausbildung der Waben (dies vor oder nach dem in Stücke schneiden der Gesamtheit an Blättern) durchgeführt.
Zur Herstellung eines Wabengefüges aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial könnte ins Auge gefaßt werden, ein Verfahren der gleichen Art durchzuführen mit zweidimensionalen Faserschichten, beispielsweise mit gestapelten und versetzt verklebten Gewebeschichten, wobei die Verdichtung und ebenfalls die Versteifung des Gefüges nach dem Auseinanderziehen und der Bildung der Waben durchgeführt würde. Jede Schicht müßte normalerweise aus mehreren Gewebelagen gebildet werden, was die Notwendigkeit einer Verbindung zwischen den Schichten impliziert, um ihre gegenseitige Trennung beim Auseinanderziehen zu verhindern. Darüberhinaus ist ein Schritt des versetzten Verklebens bei Geweben mit der gewünschten Regelmäßigkeit und Genauigkeit, damit zum Zeitpunkt des Auseinanderziehens kein Rupfen des Gewebes wegen eines örtlichen Fehlers auftritt, schwierig durchzuführen. Darüberhinaus ist bei dem Verdichtungsvorgang nach dem Auseinanderziehen zu befürchten, daß Spannungen thermischen Ursprungs eine Zerstörung der Verklebung nach sich ziehen.
Eine Lösung, die darin besteht, die Gewebeschichten versetzt zu vernähen statt sie zu verkleben, würde es erlauben, bestimmte Nachteile zu vermeiden, würde aber beträchtliche Schwierigkeiten bei der Durchführung aufwerfen.
Ein zweites bekanntes Verfahren (Figuren 2A, 2B) besteht darin, Rinnen aufweisende Flachmaterialstücke, beispielsweise aus Metallfolie, zu verwenden. Die Rinnen aufweisenden Flachmaterialstucke 20 werden aufeinandergelegt und entlang ihren sich gegenseitig berührenden Flächen 22 verklebt oder verschweißt (Fig. 2A). Wabenplatten 28 werden direkt durch Schneiden des Blocks aus Flachmaterialstücken 20 senkrecht zu den Rinnen erhalten (Fig. 2B).
Dieses Verfahren kann es erlauben, Wabengefüge aus Verbundmaterial unter Verwendung von mit Rinnen versehenen Flachmaterialstücken, die selbst aus Verbundmaterial sind, herzustellen. Derartige Flachmaterialstücke können erhalten werden durch Legen von Gewebelagen, wobei man ihnen die gewünschte mit Rinnen versehene Form gibt, und Verdichtung, beispielsweise durch Legen und Formen von mit einem Harz vorimprägnierten Gewebelagen. Es ist jedoch dann notwendig, eine wirkungsvolle Verklebung der mit Rinnen versehenen Flachmaterialstücke sicherzustellen, die geeignet ist, die Betriebstemperaturen, denen bei erhöhter Temperatur tragfähige Verbundmateralien unterzogen werden können, auszuhalten. Darüberhinaus sind die Vorfertigungsschritte der mit Rinnen versehenen Flachmaterialstücke langwierig und kostspielig, was den Gestehungspreis des Wabengefüges beträchtlich erhöht.
Ein drittes bekanntes Verfahren (Figuren 3A und 3B) verwendet schließlich ein Flachmaterialstück 30, beispielsweise ein metallisches Flachmaterialstück, in dem Schnitte 32 ausgebildet sind. Die Schnitte sind entlang paralleler Linien versetzt ausgeführt (Fig. 3A). Die Schnitte haben die gleiche Länge und sind entlang jeder Linie regelmäßig voneinander beabstandet. Die entlang einer Linie gelegenen Schnitte sind bezüglich denjenigen der benachbarten Linien verschoben, und jeder Schnitt erstreckt sich über eine Länge, die größer ist als der Abstand, der zwei in einer Linie liegende, benachbarte Schnitte trennt. Das Flachmaterialstück 30 wird durch Zug senkrecht zu den Schnittlinien (Pfeile f' der Fig. 3A) entfaltet. Durch plastische Verformung des Metalls bilden sich an den Stellen der Schnitte Waben 36 aus (Fig. 3B). Die Entfaltung ist beschränkt, um nicht zu Spannungen zu führen, insbesondere an den Rändern der Schnitte 32, die dazu neigen, Risse des Flachmaterialstücks herbeizuführen. Die Achse jeder Wabe ist bezüglich der anfänglichen Ebene des Flachmaterialstucks um einen geringeren Winkel als 90º geneigt, dergestalt, daß die Wandungen der Waben zur Hauptebene der erhaltenen Wabenplatte 38 nicht senkrecht sind.
Dieses Verfahren ist bei Gewebelagen praktisch unmöglich durchzuführen, ohne zum Zeitpunkt der Entfaltung Risse des Gewebes an den Rändern der Schnitte hervorzurufen. Darüberhinaus zeigt dieses Verfahren eine wesentliche Einschrähkung bezüglich der Dicke der Wabenplatte, die erhalten werden kann. Tatsächlich wird diese Dicke bestimmt durch den Abstand zwischen Schnittlinien, und dieser Abstand muß ausreichend gering bleiben, um bei der Entfaltung die Ausbildung von Waben zu erlauben.
Daher hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, ein Verfahren bereitzustellen, das es erlaubt, ein Wabengefüge aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial herzustellen, ohne auf die vorstehenden Nachteile zu stoßen.
Insbesondere hat die Erfindung zum Ziel, ein Verfahren bereitzustellen, dank dem Wabengefüge aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial zu einem Gestehungspreis hergestellt werden können, der genügend gemäßigt ist, um große Anwendungsgebiete zu eröffnen.
Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wabengefüges aus einem Verbundmaterial, das ein mit einer Matrix verdichtetes fasriges Verstärkungsgefüge aufweist, wobei die Fasern des Verstärkungsgefüges, ebenso wie die Matrix, aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist unter Kohlenstoff und den Keramiken, wobei das Verfahren die folgenden Schritte enthält:
- Herstellen eines dreidimensionalen Fasergefüges mittels zweidimensionaler Schichten, die übereinandergelegt und mittels die Schichten durchdringender Fasern untereinander verbunden sind,
- Ausführen von versetzten Schnitten in Form von Schlitzen durch die Schichten hindurch in der ganzen Dicke des Gefüges,
- Auseinanderziehen des eingeschnittenen Gefüges in Querrichtung bezüglich der Schnitte und parallel zu den Schichten, um Waben auszubilden, deren Wandungen von den Lippen der Schnitte ausgebildet werden, und
- Verdichten und Halten im auseinandergezogenen Zustand des eingeschnittenen Gefüges durch das die Matrix bildende Material, um ein steifes Wabengefüge aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Material zu erhalten.
Die das Verstärkungsgefüge bildenden Schichten können mindestens zum Teil aus Gewebelagen bestehen. Die Verbindung zwischen den Schichten wird beispielsweise durch Einbringen von Fäden, durch Nähen oder durch Nadelung hergestellt. In diesem letzten Fall kann es, wenn die Schichten Gewebelagen enthalten, vorteilhaft sein, zwischen diese aus Faserstoffen gebildete Schichten einzulegen, dies um Fasern zu beschaffen, die dazu geeignet sind, bei der Nadelung von den Nadeln aufgenommen und quer durch die Schichten angeordnet zu werden.
Aus zweidimensionalen Schichten, die übereinandergelegt und miteinander beispielsweise durch Nadelung verbunden sind, ausgebildete faserige Verstärkungsgefüge sind wohlbekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere aufgrund der Tatsache bemerkenswert, daß eine Vorform eines Wabengefüges einfach durch Bilden versetzter Schnitte und Auseinanderziehen des Gefüges erhalten wird.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von demjenigen, das durch die Figuren 1A bis 1C veranschaulicht wird, durch die Tatsache, daß erfindungsgemäß das Auseinanderziehen parallel zu den Schichtebenen und nicht senkrecht zu ihnen ausgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich auch von dem durch die Figuren 3A und 3B veranschaulichten. Tatsächlich bestehen bei diesem bekannten Verfahren die Wandungen der Waben aus den Teilen des Flachmaterialstücks, die zwischen zwei Schnittlinien liegen. Die Entfaltung hat die Wirkung, gleichzeitig mit dem Ausdehnen des Flachmaterialstücks eine fortschreitende Neigung dieser Wandungen bezüglich der Anfangsebene des Flachmaterialstücks hervorzurufen. Das ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht der Fall. Das Auseinanderziehen des Gefüges hat die Wirkung, die Lippen jedes Schnitts voneinander zu entfernen, um Waben auszubilden, deren Wandungen von den Lippen der Schnitte ausgebildet werden. Die Dicke des Wabengefüges wird bestimmt durch die Dicke des Fasergefüges und kennt daher nicht die gleiche Beschrähkung wie im Falle des Verfahrens der Figuren 3A und 3B, wo die Dicke des Wabengefüges durch den (notwendigerweise beschränkten) Abstand zwischen zwei benachbarten Schnittlinien bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft auch ein derartiges Wabengefüge aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial, das durch das vorstehend angegebene Verfahren erhalten werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein derartiges Gefüge, das ein mit einer Matrix verdichtetes fasriges Verstärkungsgefüge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsgefüge ein dreidimensionales Gefüge ist, das ausgebildet ist aus zweidimensionalen Schichten, die untereinander mittels die Schichten durchdringender Fasern verbunden sind, wobei die Waben des Wabengefüges durch die Schichten hindurch ausgebildet sind.
Andere Besonderheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Gefüges werden hervorgehen aus der Lektüre der nachfolgend zur Veranschaulichung und nicht zur Beschrähkung ausgeführten Beschreibung.
Es wird Bezug genommen werden auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- die Figuren 1A, 1B und 1C, die bereits beschrieben wurden, ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Wabengefügen veranschaulichen;
- die Figuren 2A und 2B, de bereits beschrieben wurden, ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung von Wabengefügen veranschaulichen;
- die Figuren 3A und 3B, die bereits beschrieben wurden, noch ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von Wabengefügen veranschaulichen;
- die Figuren 4A bis 4F verschiedene aufeinanderfolgende Schritte einer Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines ebenen Wabengefüges aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial veranschaulichen;
- die Figuren 5A bis 5C die Ausbildung von Außenschichten auf einem Wabengefüge zur Herstellung einer selbsttragenden Platte veranschaulichen; und
- die Figuren 6A und 6B eine andere Art der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines rotationskörperartigen Wabengefüges veranschaulichen.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Figuren 4A bis 4F ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines ebenen Wabengefüges aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Verbundmaterial des Typs Kohlenstoff/Kohlenstoff beschrieben.
Ein erster Schritt des Verfahrens besteht in der Herstellung eines dreidimensionalen Verstärkungsgefüges aus Kohlenstoffasern.
Kohlenstoff oder aus einem Kohlenstoff-Vorläufer (beispielsweise aus Polyacrylnitril oder PAN, im voroxidierten Zustand) übereinandergelegt und durch Nadelung verbunden (Fig. 4A). Die Schichten 40 sind Lagen, beispielsweise aus Gewebe oder aus einem aus Gewebe und Faserstoff gebildeten Komplex, wobei der Faserstoff Fasern beisteuert, die bei der Nadelung leicht von den Nadeln aufgenommen werden können, um die Schichten durchdringend eingefügt zu werden. Die Nadelung wird bevorzugt an den Fasern im Zustand des Kohlenstoff-Vorläufers ausgeführt, da eine direkt an den Kohlenstoffasern durchgeführte Nadelung eine zerstörerischere Wirkung hat. Zur Durchführung der Nadelung kann vorgegangen werden nach Maßgabe der Stapelung der Schichten 40, wie es in der Schrift FR-A-2 584 106 beschrieben ist, wobei die Dicke des Gefüges in Abhängigkeit von der des herzustellenden Wabengefüges bestimmt wird.
Es können auch andere Techniken der Verbindung der Schichten untereinander verwendet werden, beispielsweise das Nähen oder auch das Einfügen von Fasern, wie es in der Schrift FR-A-2 565 262 beschrieben ist.
Wenn das so erhaltene dreidimensionale Gefüge 41 aus Fasern aus Kohlenstoff-Vorläufer besteht, muß eine thermische Behandlung zur Carbonisierung durchgeführt werden, um den Vorläufer in Kohlenstoff umzuwandeln. Da diese Behandlung einen leichten dimensionalen Schwund mit sich bringt, wird sie bevorzugt vor der Ausführung von Schnitten oder Schlitzen in dem Gefüge, die die Ausbildung der Waben des Wabengefüges erlauben, ausgeführt.
Wie es die Fig. 4B zeigt, werden diese Schnitte 42 in Form von Schlitzen versetzt ausgeführt, wobei ihre Abmessungen und örtliche Anbringung die Abmessungen und Formen der Waben bestimmen. Die Schnitte 42 werden in Ebenen ausgeführt, die zueinander parallel und zu den Ebenen der Schichten 40 senkrecht sind. Bevorzugt sind die Schnittebenen parallel zu einer der Richtungen X und Y, nach denen die Kettfäden und die Schußfäden des Gewebes der Schichten 40 ausgerichtet sind, beispielsweise zu der Richtung X der Kettfäden (wobei die Gewebelagen übereinandergelegt sind, daß ihre Kettfäden parallel sind, ebenso wie folglich ihre Schußfäden). Daher bleibt die Stetigkeit der Kettfäden (oder der Schußfäden) in den Gewebeschichten nach Ausbildung der Schnitte erhalten. Die Schnitte haben alle die gleiche Länge L und sind in jeder Ebene in dem gleichen Abstand D regelmäßig beabstandet. Die Ebenen sind voneinander in einem Abstand d regelmäßig beabstandet. Die Länge L der Schnitte ist größer als die Länge D des Zwischenraums zwischen diesen, und in dem gezeigten Beispiel ist die versetzte Anordnung dergestalt, daß die Mitte eines Schnitts 42 in einer Schnittebene auf der Höhe der Mitte des Zwischenraums zwischen zwei Schnitten 42 in den benachbarten Schnittebenen ist.
Die Schnitte 42 werden beispielsweise mit dem Messer oder mit dem Wasserstrahl ausgeführt.
Nach der Ausführung der Schnitte wird das Gefüge 41 in Richtung Y senkrecht zu den Schnittebenen auseinandergezogen (Pfeile F der Fig. 4C).
Das Auseinanderziehen hat ein Spreizen der Lippen der Schnitte 42 (Fig. 4C) und die Bildung von Waben 46, deren Wandungen durch diese Lippen definiert werden, zur Folge. Das Auseinanderziehen wird unterbrochen, wenn die Waben 46 die gewünschte Form erreicht haben (Fig. 4D), und bevor die auf die Außenenden der Schnitte ausgeübten Spannungen ein Reißen des Gefüges hervorrufen.
So erhält man eine faserige Waben-Vorform 47, in der die Wandungen der Waben 46 zu den Ebenen X, Y der Schichten 40 senkrecht sind.
Es ist möglich, die Schnitte 42 in Ebenen auszuführen, die bezüglich zur Senkrechten zu den Schichten 40 geneigt sind. Nach dem Auseinanderziehen in Y-Richtung erhält man dann Waben, deren Wandungen nicht senkrecht zu den Seiten des Gefliges sind. Versuche, die mit Gefügen wie dem vorstehend beschriebenen durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß bei dem Auseinanderziehen die Wandungen der Waben zu den Ebenen X, Y senkrecht bleiben und daß die Oberflächenverformungen, die insbesondere in den Außenbereichen der Schnitte hervorgerufen werden, von sehr geringer Amplitude bleiben. Es wurde auch festgestellt, daß das Auseinanderziehen kein Reißen an den Außenenden der Schnitte hervorruft. Zum Vergleich: Versuche, die mit Gefügen durchgeführt wurden, die mit Ausnahme der Nadelung (keine Verbindung zwischen den Schichten) identisch waren, haben gezeigt, daß das Auseinanderziehen eine Beschädigung des Gefüges an den Außenenden der Schnitte hervorrufen konnte.
Es muß angemerkt werden, daß die Fähigkeit zur Verformung des Gefüges 41 durch Zug in Y-Richtung insofern eine überraschende Eigenschaft darstellt, als die Gefüge in ihrer Ebene unverformbar sein sollen.
Nach dem Auseinanderziehen wird die Vorform 47 verdichtet, während sie mittels eines Werkzeugs im auseinandergezogenen Zustand gehalten wird. Dieses Werkzeug (Fig. 4E) besteht aus einer Platte aus Graphit 50 und Stiften aus Graphit 52, die in Waben 46 entlang der in Y-Richtung entgegengesetzten Ränder der Vorform eingesetzt werden. Die Stifte 52 dringen in Öffnungen ein, die in der Platte 50 ausgebildet sind.
Der von dem Werkzeug 50, 52 und der Vorform 47 gebildete Aufbau wird in einen Ofen eingebracht, in dem die Vorform 47 durch chemische Infiltration in der Dampfphase durch Kohlenstoff verdichtet wird. In an sich wohlbekannter Weise wird eine Gasphase, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, in den Behälter eingelassen unter Temperatur- und Druck-Bedingungen, die festgesetzt wurden, um eine Zersetzung der Gasphase bei Berührung der Fasern der Vorform 47 zu begünstigen und Kohlenstoff freizusetzen, der den Porenraum der Vorform 47 zunehmend ausfüllt.
Nach der Verdichtung erhält man ein Wabengefüge 48 aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterial (Fig. 4F). Ein-solches Gefüge ist geeignet für zahlreiche Anwendungen. Beispielsweise kann es eine Sohle eines Ofens zur thermischen Behandlung darstellen und vorteilhaft eine metallische Sohle ersetzen, die durch Formen oder durch Schweißen von Elementen erhalten wurde. Ein solches Wabengefüge kann auch anstelle üblicher Werkzeuge aus Graphit als steifes Werkzeug zum Halten einer durch chemische Infiltration in der Dampfphase zu verdichtenden Vorform verwendet werden.
Wabengefüge aus einem bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterial können auch Anwendungen finden beim Ausbilden selbsttragender Platten, die bei Luft- oder Raumfahrt-Anwendungen, beispielsweise als Strukturelemente von Raumfahrzeugen, verwendbar sind.
Für bestimmte Anwendungen kann das Wabengefüge auf jeder Seite mit einer Außenschicht versehen werden.
Zu diesem Zweck wird, wie es die Fig. 5A zeigt, mindestens eine Faserschicht 54, beispielsweise eine Gewebeschicht, auf die Vorform 47, die mittels Stiften 52 auf der Platte 50 gehalten wird, gespannt. Die Gewebeschicht 54 wird mittels eines Nadelungskopfes, dessen Verschiebungen programmiert werden können, beispielsweise wie es in der Schrift FR-A-2 669 941 beschrieben ist, auf die Ränder der Waben 46 genadelt.
Nach der Nadelung der Schicht 54 bringt man auf der Vorform 47 und der Gewebeschicht 54 eine Platte aus Graphit 51 an, die der Platte 50 entspricht und mit Öffnungen versehen ist, die zur Aufnahme der oberen Enden der Stifte 52, die über die Vorform 47 hinausragen, angeordnet sind. Das Ganze wird umgedreht, und die Platte 50 wird weggenommen, um das Anbringen mindestens einer weiteren Gewebeschicht 55, die auf die andere Seite der Vorform 47 gespannt wird, und die Nadelung dieser weiteren Schicht zu erlauben (Fig. 5B).
Das Ganze wird dann in einen Ofen zur chemischen Infiltration in der Dampfphase eingebracht, um gleichzeitig die Vorforrn 47 und die auf ihre zwei Seiten genadelten Gewebeschichten 54, 55 zu verdichten, was so das Erhalten einer selbsttragenden Platte 58 erlaubt, die einen steifen Wabenkern 48 enthält, der von zwei steifen Außenschichten 56, 57 bedeckt ist, die die Waben 46 verschließen (Fig. 5C).
Wenn die herzustellende selbsttragende Platte keinen beträchtlichen Scherkräften unterzogen wird, werden die Gewebeschichten 54, 55 einfach auf die Seiten der Vorform 47 geklebt werden können, bevor sie mit dieser verdichtet werden, wobei die gemeinsame Verdichtung die notwendige Verbindung zwischen den Außenschichten und dem Kern der Platte vervollständigt.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Herstellung von Wabengefügen aus Kohlenstofflkohlenstoff-Verbundmaterial betrachtet.
Natürlich ist die Erfindung anwendbar bei der Herstellung von Wabengefügen aus anderen bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterialien als den Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundmaterialien, insbesondere den Verbundmaterialien mit keramischer Matrix, deren Verstärkungsgefüge aus Kohlenstoff oder aus Keramik ist. Die angewandten Techniken sind diejenigen, die bekannt sind von der Herstellung von dreidimensionalen Gefügen aus Kohlenstoff- oder Keramik-Fasern, und von der Verdichtung durch eine keramische Matrix.
Man wird auch verrnerken, daß die Verdichtung der Waben-Vorform, die auf ihren Seiten ggf. mit Schichten versehen ist, mittels Flüssigkeit durchgeführt werden kann, d. h. durch Imprägnierung mittels eines Vorläufers der Matrix in flüssiger Phase, dann durch Umwandlung des Vorläufers. Es können mehrere Imprägnierungszyklen notwendig sein, ggf. vervollständigt mittels eines Zyklus der chemischen Infiltration in der Dampfphase.
Schließlich ist die Erfindung bei der Herstellung von gebogenen oder zylindrischen Strukturen anwendbar, wenn auch vorstehend die Herstellung von ebenen Wabengefügen beschrieben wurde. Diese können durch in Form Bringen der Waben-Vorform auf einem geeigneten Werkzeug vor der Verdichtung und Versteifung erhalten werden.
Man kann auch die Herstellung eines rotationskörperartig dreidimensionalen Verstärkungsgefüges 60 durch Nadelung von Schichten 61, die auf einen Dom aufgewickelt sind (Fig. 6A), wie es beispielsweise in der Schrift FR-A-2 584 107 beschrieben ist, ins Auge fassen. Durch die gesamte Dicke des Gefüges 60 hindurch werden in Meridianebenen versetzte Schnitte 62 ausgebildet.
Das eingeschnittene Gefüge wird auf einem Dorn 70 auseinandergezogen, um Waben 66 auszubilden. Stifte 72, die in den Dom 70 eingefügt sind, halten das Gefüge im auseinandergezogenen Zustand im Hinblick auf seine Verdichtung, beispielsweise durch Infiltration in der Dampfphase (Fig. 6B). Nach der Verdichtung wird eine steife, zylindrische Wabenstruktur erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Wabengefüges aus einem bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterial, das ein mit einer Matrix verdichtetes faseriges Verstärkungsgefüge aufweist, wobei die Fasern des Verstärkungsgefüges, ebenso wie die Matrix, aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist unter Kohlenstoff und den Keramiken, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte enthält:

- Herstellen eines dreidimensionalen Fasergefüges (41) mittels zweidimensionaler Schichten (40), die übereinander gelegt und mittels die Schichten durchdringender Fasern untereinander verbunden sind,

- Ausführen von versetzten Schnitten in Form von Schlitzen (42) durch die Schichten hindurch in der ganzen Dicke des Gefüges,

- Auseinanderziehen des eingeschnittenen Gefüges in Querrichtung bezüglich der Schnitte (42) und parallel zu den Schichten (40), um Waben (46) auszubilden, deren Wandungen von den Lippen der Schnitte (42) ausgebildet werden, und

- Verdichten und Halten im auseinandergezogenen Zustand des eingeschnittenen Gefliges durch das die Matrix bildende Material, um ein steifes Wabengefüge (48) aus bei erhöhter Temperatur tragfähigem Material zu erhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionalen Schichten (40) des dreidimensionalen Gefüges (41) Gewebeeinlagen enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnitte (42) parallel zur Richtung der Kettfäden oder zur Richtung der Schußfäden der Gewebeeinlagen ausgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen den Schichten (40) des dreidimensionalen Gefüges durch Nadelung ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeschnittene und auseinandergezogene Gefüge (47) durch chemische Infiltration in der Dampfphase verdichtet wird, während es mittels eines Werkzeugs (50, 52) im auseinandergezogenen Zustand gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Anspuiche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeschnittene und auseinandergezogene Gefüge (47) auf jeder zu den Schichten des Gefüges parallelen Seite mit mindestens einer Faserschicht (54, 55) versehen wird, und das durch das auseinandergezogene Gefüge und die Faserschichten gebildete Ganze verdichtet wird, um eine selbsttragende Platte (58), die einen auf jeder Seite mit einer steifen Außenschicht bedeckten steifen Kern aus Waben aufweist, zu erhalten.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf jeder Seite des Gefüges angebrachte Faserschicht durch Nadelung an dieses gebunden wird.

8. Wabengefüge aus einem bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterial, das ein mit einer Matrix verdichtetes faseriges Verstärkungsgefüge aufweist, wobei die Fasern des Verstärkungsgefüges, ebenso wie die Matrix, aus einem Material bestehen, das unter Kohlenstoff und den Keramiken ausgewählt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsgefüge ein aus zweidimensionalen Schichten (40), die untereinander mittels die Schichten durchdringender Fasern verbunden sind, gebildetes dreidimensionales Gefüge ist, wobei die Waben (46) des Wabengefüges (48) durch die Schichten hindurch ausgebildet sind.

9. Wabengefüge nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweidimensionalen Schichten (40) Gewebeeinlagen, in denen die Stetigkeit der Kettfäden oder der Schußfäden erhalten geblieben ist, aufweisen.

10. Wabengefüge nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei steife Außenschichten (56, 57), die die zu den Schichten des Verstärkungsgefüges parallelen Seiten bedecken und die Waben (46) verschließen, enthält.