WO2019158532A1 - Verfahren zur herstellung eines bandförmigen rovinggeleges aus einem keramischen faserverbundwerkstoff, verfahren zur herstellung von hochtemperaturstabilen bauteilen aus einem keramischen faserverbundwerkstoff sowie hochtemperaturstabiles bauteil aus einem keramischen faserverbundwerkstoff - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bandförmigen rovinggeleges aus einem keramischen faserverbundwerkstoff, verfahren zur herstellung von hochtemperaturstabilen bauteilen aus einem keramischen faserverbundwerkstoff sowie hochtemperaturstabiles bauteil aus einem keramischen faserverbundwerkstoff Download PDF

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Definitions

  • the present invention is a process for producing a band-shaped Rovinggeleges and a method for producing high-temperature-stable components made of a ceramic fiber composite material. Furthermore, the present invention relates to a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material, for example produced by the inventive method.
  • DE 10 2014 115414 A1 discloses a method for producing a roving for an oxide-ceramic fiber composite material.
  • the fiber composite material has a core of a plurality of oxide-ceramic fibers, wherein the core is embedded in a matrix of a sintered metal oxide.
  • a further object of the present invention is to provide a method for producing green compacts for high-temperature-stable components made of a ceramic fiber composite material and for such components.
  • a further object of the present invention is to provide a green compact for a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material with advantageous properties, and to specify such a high-temperature-resistant component.
  • relative terms as used herein with respect to a feature such as the relative term “larger” already used above, but also other relative terms such as “smaller”, “wider”, “narrower”, 'Higher', 'lower', 'heavier', 'lighter', 'softer', 'harder' and the like, must always be interpreted as meaning that differences in the size of the characteristic concerned, which are within the limits of the production method of the product in question feature defined manufacturing tolerances are not covered by the respective relative term.
  • a feature size is not "larger,”"smaller,””wider,””narrower,””higher,””lowerthan” in the sense of the present invention ",” heavy “,” slight ter “,” softer “, harder” and the like to be regarded as a variable of a comparison feature, if the two compared variables in their value so much different from each other that this difference in size is certainly not attributable to the production-related tolerance deviations of the feature concerned but the result of purposeful action.
  • the method according to the invention is a method for the production of an endless band-shaped roving fabric.
  • the term "endless” is understood to mean a length that is large in relation to the width and also in relation to the thickness of the resulting band-shaped roving fabric. but also an even higher factor.
  • the method according to the invention is particularly suitable for being carried out continuously or semi-continuously, but this is not absolutely necessary.
  • a plant is designed such that a component is continuously supplied to the process, wherein the product produced is discontinuously removed from the process.
  • the plant is designed such that the component supplied to the process as well as the product removed from the process are continuously supplied or removed.
  • the inventive method is provided for the production of a band-shaped Roving- occasional, which can be used for the production of a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material.
  • a so-called roving which comprises a multifilament fiber bundle infiltrated with a moist slurry.
  • the slip is sinterable in the dry state, where "dry” in this context means a sufficiently low moisture level for a sintering process.
  • the multifilament fibers are roving into a yarn spun. This embodiment also makes it possible to produce the yarn on site from multifilament fibers which may have already been infiltrated with a slurry and subsequently to use them to produce a fabric.
  • the roving is wound in layers in a spiral, for example, on a cylindrical wound body, such that a multilayer tubular scrim is obtained.
  • winding onto the winding body can take place in such a way that the windings of the roving lie in close proximity to each other within a layer.
  • This winding pattern results in closed layers of the roving and thus high mechanical strength of the later (sintered) component at a high density.
  • the winding can also be done so that lie in the individual layers distances between the individual turns of the roving.
  • the winding can also take place in such a way that groups of turns are formed in which the turns of the roving lie close to each other, and there are gaps between these groups so that the groups do not touch each other.
  • the tubular scrim obtained in the second method step is separated spirally around the axis of rotation of the wound body, so that a band-shaped roving scrim is obtained.
  • the tubular scrim is preferably still arranged on the outer surface of the winding body.
  • the helical separation of the band-shaped Rovinggeleges takes place from the tubular scrim such that the length L of the separated bandför- Ming Rovinggeleges is at least 20 times the width L of the separated band-shaped Rovinggeleges.
  • the length L is particularly preferably 35 times the width B and particularly preferably at least 50 times the width B.
  • the process according to the invention makes it possible to provide multilayer band-shaped scrims made of roving impregnated with a slip, which because of their very high aspect ratio are particularly suitable for the production of one-piece, highly elongated components such as supports or support arms, which are known from the prior art Procedures have not been practically or only with great effort to produce.
  • sheet-like components such as approximately square or round carrier grids can be manufactured in one piece based on the produced band-shaped scrim so that, due to the absence of structurally weakening cross-sectional reductions such as e.g. unavoidable in the existing from the prior art in tongue and groove technology from a variety of smaller elements components are available, significantly slimmer and thus lighter and more importantly less expensive components can be realized with the same mechanical strength.
  • the tubular scrim comprises at least 2 wound layers of the roving, preferably at least 3 wound layers and more preferably at least 4 wound layers. But there are also significantly more layers conceivable and technically useful depending on the application.
  • the resulting thickness of the tubular leg is in this case determined directly by the density of the roving in one layer, the diameter of the ring, and the number of layers. It is within the skill of the art to choose these parameters appropriately for a given application. Typical thicknesses are a few millimeters, ie between 1.5 and 7 millimeters, and in individual cases, smaller or larger thicknesses may be possible and technically useful.
  • the winding angles ⁇ * of successive layers will differ from one another.
  • they can have opposite signs.
  • the winding angles ⁇ * of successive layers are substantially the same in magnitude, but have different signs.
  • the spiral-shaped separation of the band-shaped Rovinggeleges takes place in a cutting angle a *, which is in the range between 2 ° - 35 °, preferably in the range between 5 ° and 25 ° and particularly preferably in the range between 7 ° and 20 °.
  • the winding angles ⁇ n *, ⁇ n + i * of successive layers are distributed symmetrically around the cutting angle a * used in the third method step, ie they satisfy the form:
  • n is in the range of 5 ° -30 °, more preferably in the range of 8 ° -25 °, and most preferably in the range of 10 ° -20 °.
  • the rovings in the individual layers of the obtained band-shaped roving fabric are inclined symmetrically with respect to the longitudinal axis of the band-shaped roving. The result is a roving with particularly homogeneous mechanical properties.
  • the winding body has a length L along its axis of rotation.
  • the width B of the separated band-shaped roving is max L / 2, preferably at most L / 3 and more preferably L / 4 or less. The width B is controlled by the cutting angle a *.
  • the severed band-shaped blanking ring is either singulated into band-shaped web segments and / or rolled up into a reel. Separation in this stage of the process is advantageous if it is already known which band-shaped elements are required for the production of a component to be produced. A rolling up of the entire band-shaped Rovingge privileges obtained is particularly useful if a storage is desired for subsequent processing, the details of which are not yet known.
  • the isolated web segments which in turn may also be rolled up, or the web roll are packed in an airtight container in order to avoid premature drying and concomitant solidification of the moist slurry.
  • the slip used for providing the roving has one or more of the following components: Al 2 O 3, SiO 2, mullite, SiC.
  • the components Al 2 O 3, SiO 2, mullite are particularly preferably contained either individually or in mixtures of two or three of the stated components.
  • the fibers in the multifilamentary fiber bundle have one or more of the following components: Al 2 O 3, SiO 2, mullite, carbon, SiC.
  • other components known to those skilled in the art may be included in the multifilament fibers used.
  • the components Al 2 O 3, SiO 2, mullite are particularly preferably contained either individually or in mixtures of two or three of the stated components.
  • a likewise belonging to the invention process for producing a green compact for a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material has the method steps according to claim 15.
  • At least one band-shaped roving or fabric segment is thus produced by means of a method according to at least one of claims 1 to 14 and provided for further processing.
  • the at least one band-shaped roving or gel segment is then formed into a green compact for a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material and / or joined.
  • a green body from a plurality of ribbon-shaped roving layers or web segments.
  • the molding of the green compact can take place, for example, by depositing the band-shaped roving or fabric segment provided on a shaping negative body and remaining there until the slurry has solidified sufficiently.
  • the provided band-shaped roving or gelegesegment can also be inserted or clamped in a shaping template, where it remains until a sufficient solidification of the slurry.
  • "joining" means, on the one hand, that a single band-shaped roving or web segment is reshaped so that it is joined to itself in at least one, but generally several surface sections During the sintering of such a green body, mechanically loadable connection points are created at these contact points between the different sections of the band-shaped roving bedding or bedding segment ,
  • the band-shaped Rovinggelege or Gelegesegment is formed into a green compact having at least one bending line, which is oriented parallel or transverse to its extension direction.
  • a parallel crease line for example, a V-shaped angle profile of any angle, e.g. 90 ° or 120 ° can be made.
  • Two parallel fold lines can be introduced, for example, to form a U-profile.
  • a transversely oriented crease line e.g. an angle structure can be generated, which spans a plane through its legs and can be provided in the sintered state to conditions to be cured parts in an annealing furnace to tra.
  • one or more band-shaped rovings or segment segments is / are shaped into a green compact and optionally joined so that the green compact produced spans a plane.
  • the green compact is shaped so that it forms a preferably closed loop.
  • the green compact is shaped such that in the structure formed by the green structure, the width W of the roving or false segment is substantially constant transversely to the plane defined by the green body. In this procedure, structure-weakening cross-sectional tapers are avoided in the component obtained by sintering the green compact.
  • a particularly high mechanical load-carrying capacity of a later component can be realized if it is ensured by suitable process management that the band-shaped napping roving or segment is / are oriented in the solidified greening perpendicular to the plane spanned by this.
  • the above-disclosed inventive method for producing a green compact for a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite in its various embodiments described above is preferably supplemented by a further method step in which the green compact obtained is dried so that it can be sintered ,
  • the required reduction of the moisture content in the slurry can be achieved on the one hand by simple drying under ambient conditions. However, it can also be carried out with possibly additional use of infrared radiation or microwave radiation.
  • the present invention comprises a method for producing a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material.
  • This likewise production method according to the invention comprises at least the following method steps: a. Production of a green compact according to a method according to at least one of claims 15 to 22,
  • the sintering is preferably carried out at a temperature of 1000 ° C - 1450 ° C, more preferably at a temperature between 1150 ° C and 1300 ° C.
  • Another object of the present invention is a green compact for a high temperature stable component made of a ceramic fiber composite material.
  • Such a green compact can be obtained in particular by the method according to the invention. Accordingly, reference is made to the technical features of the above-discussed inventive method in its various forms, as far as they relate to features of the manufactured or produced green compact. These features can be transferred to a green compact according to the invention by a person skilled in the art without any inventive step. Correspondingly, green compacts which have one or more of these features are likewise encompassed by the present invention.
  • a high-temperature-stable component made of a ceramic fiber composite material according to the invention is produced from a sufficiently dried green compact according to the invention. All of the features disclosed in the following with reference to advantageous embodiments of a green compact according to the invention can therefore be transferred directly to such a component according to the invention without any inventive step being necessary. Also appropriately developed according to the invention high-temperature-stable components made of a ceramic fiber composite material are also regarded as belonging to the present invention.
  • An inventive green compact has a band-shaped roving or gel segment.
  • This band-shaped roving or lintel segment has a plurality of layers stacked on top of one another, each of which is oriented in the plane of the blanket or of the bladder segment and each comprising a multiplicity of multifilament fiber bundles or rovings arranged side by side and infiltrated with a moist slurry.
  • the multifilament fiber bundles or rovings In the adjoining individual layers, the multifilament fiber bundles or rovings have an angle g with g> 10 ° with one another.
  • the slip used for infiltration is sinterable in a sufficiently dry state.
  • the length L of the band-shaped roving or gel segment is at least 20 times the width L of the ribbon-shaped roving or gel segment, preferably at least 35 times and particularly preferably at least 50 times.
  • a roving covering with these properties can be obtained, for example, in a very simple manner with the method according to claim 1, possibly further developed with features of the claims referring back to this.
  • the slip in the roving or scrim segment according to the invention preferably has one or more of the following components: Al 2 O 3, SiO 2, mullite, SiC. Again, preferably only one of said components is present in the slip, for example Al 2 O 3 or mullite. Possibly. but it may also be advantageous if two or even three of the said components are present.
  • the fibers in the multifilamentary fiber bundle comprise one or more of the following components: Al 2 O 3, SiO 2, mullite, SiC, carbon.
  • Al 2 O 3, SiO 2, mullite, SiC, carbon preferably only one of the components mentioned is present in the slip, for example Al 2 O 3, mullite or carbon. Possibly. but it may also be advantageous if two or even three of the said components are present.
  • one of the components mentioned is present both in the slip and in the fibers of the multifilamentary fiber bundle, for example Al 2 O 3 or mullite.
  • the component contained in the slip is not present in the fibers, or / and vice versa.
  • the fibers may be pure Al 2 O 3 fibers, the slurry being purely Mullitic.
  • a green compact according to the invention has a crease line which is oriented parallel or transversely to its direction of extent.
  • the green compact can, for example, have a V-shaped angle profile with an arbitrary angle, e.g. 90 ° or 120 °, training.
  • a transversely oriented crease line is introduced into the green compact, this may e.g. form an angular structure that spans a plane through its legs.
  • a component obtained by sintering from such a green compact may, for example, be provided to carry parts to be hardened during annealing in an annealing furnace.
  • one or more band-shaped rovings or segment segments is / are shaped into a green compact and optionally joined so that the green compact produced spans a plane.
  • the green compact thus obtained forms a preferably closed loop.
  • the width W of the roving or false segment is essentially constant transversely to the plane spanned by the green body. In this procedure, structure-weakening cross-sectional tapers are avoided in the later component.
  • a particularly high mechanical load-bearing capacity of a component obtained by sintering the green compact can be realized if it is ensured by suitable process control that the band-shaped roving or scrim segment / s in the solidified green body is perpendicular to the plane defined by this is / are oriented.
  • a high-temperature-resistant component according to the invention made of a ceramic fiber composite material has at least one sintered green compact according to one of the above-disclosed embodiments. More preferably, a component according to the invention comprises precisely one such sintered green compact according to the invention.
  • the component forms an L-carrier, a V-carrier, a T-carrier or a double-T carrier.
  • a support can be advantageously used in large scale chemical production, e.g. inside a reactor with a large inside diameter.
  • it can serve, for example, to provide a high-temperature resistant support beam for a catalyst bed, which exhibits virtually no change in its mechanical properties even at temperatures significantly above 1150 ° C.
  • a use in a highly corrosive environment is also possible with a suitable choice of the material for the matrix of the ceramic fiber composite material formed by the sintered slip and the reinforcing fibers without problems.
  • the component forms an annealing basket or a charging grate, which is provided, for example, for holding sintered material in an annealing furnace or of metal gears in a hardening furnace.
  • the component forms a support arm extended in a spatial direction, which can be provided, for example, for use with a loading robot of a hardening furnace in a heavily heat-stressed area.
  • the component forms a corrosion-resistant, heat-resistant helical band, which, for example, can be introduced into fluid-flowed tubes to avoid laminar flow in the chemical production.
  • Rovings have proved to be particularly useful in the context of the present invention when the fibers contained comprise or preferably consist of a ceramic material, e.g. from AI2O3 or a mixture of AI2O3 and mullite.
  • Corresponding rovings are e.g. offered by the company. 3M under the name Nextel® in the form of wound endless material.
  • the individual filaments of a multifilament fiber contained in a roving have a diameter of more than 3 micrometers, preferably more than 5 micrometers, and more preferably more than 7 micrometers.
  • all the filaments contained can have the same diameter, but they can also have a multiplicity of different diameters.
  • the multifilament fibers comprise Al 2 O 3, wherein the proportion by weight of Al 2 O 3 in the multifilament fiber is more than 70%, preferably more than 80% and particularly preferably more than 99%.
  • the multifilament fibers further comprise mullite, wherein the weight fraction of mullite in the multifilament fiber is preferably between 10% and 20%.
  • the multifilament fibers further comprise ZrCte, wherein the weight proportion of ZrOi in the multifilament fiber is preferably 5% or more.
  • the multifilament fibers furthermore comprise SiC, wherein the weight fraction of SiC in the multifilament fiber is preferably 5% or more.
  • oxide-ceramic multifilament fibers of the manufacturer 3M which has been sold under the trade names Nextel TM 312 (main constituents: Al 2 O 3, boron oxide, SiO 2), 445 (main constituent: aluminum silicate), 550 (main constituents: gamma-aluminum oxide , S1O2) 610 and 720 are sold.
  • Nextel TM 312 main constituents: Al 2 O 3, boron oxide, SiO 2
  • 445 main constituent: aluminum silicate
  • 550 main constituents: gamma-aluminum oxide , S1O2
  • the preferred Nextel 610 fiber has a weight fraction of Al2O3 of more than 99%, and the preferred mullitic fiber Nextel TM 720 contains about 85% by weight Al2O3 and 15% by weight S1O2.
  • the substantially Al2O3 fiber sold under the brand Cerafib 99 corundum has proven itself in the context of the present invention.
  • Other mullitic fibers include the commercially available products sold under the brands Cerafib 75 Mullit and Nitivy ALF.
  • SiC-based fibers can also advantageously be used in the context of the present invention.
  • the properties of a slurry used in the context of the invention for impregnating the ring are described below with reference to the ceramic material Matrix explains that arises during sintering of a Rovinggeleges invention and in which the fibers of the roving are embedded.
  • the ceramic matrix in which the multifilament fibers of the roving leg according to the invention are embedded it has proved to be advantageous if the ceramic matrix comprises an oxide-ceramic material.
  • a preferred oxide ceramic material is Al2O3. It has proven to be particularly advantageous if the proportion by weight of Al 2 O 3 in the matrix is more than 70%, preferably more than 80% and particularly preferably more than 99%.
  • the ceramic matrix further comprises mullite.
  • the weight fraction of mullite in the matrix is preferably between 10% and 20%.
  • the ceramic matrix of a roving fabric according to the invention comprises ZrO.sub.i, wherein the weight fraction of ZrO.sub.i in the matrix is higher than 5%.
  • the ceramic matrix of a roving sheet according to the invention comprises SiC, where the weight fraction of SiC in the matrix is higher than 5%.
  • the use of non-oxidic materials such as SiC for multifilament fiber and / or matrix is advantageous in individual cases.
  • these fiber composite materials are also referred to as "oxide-ceramic.”
  • at least the multifilament fiber or the matrix preferably comprises an oxidic material, particularly preferably both the multifilament fiber and the matrix.
  • Rovinggeleg results when the proportion of multifilament fibers in the fiber composite based on the weight of Rovinggeleges at least 10%, preferably at least 20%, and more preferably at least 30%.
  • the specified proportion of the multifilament fiber relates in particular to the above-mentioned preferred embodiments with Al 2 O 3 in the multifilament fiber or in the matrix or in both, wherein again reference is made to the proportions by weight given in each case.
  • the porosity of the matrix in the finished roving sheet is adjusted to be between 20 and 60% by volume, in particular between 20 and 45%.
  • a corresponding porosity can be achieved using the method according to the invention, in particular if the matrix comprises Al 2 O 3 in the specified weight range.
  • the breaking strength of a Rovering graft according to the invention arise in particular when the particle size distribution of the sintered fine-grained material, which may be, for example, a metal oxide, in the matrix of Rovinggeleges monomodal or bimodal. It has proven to be particularly advantageous if the particle size distribution of the fine-grained sintered material in the roving bed has at least one maximum, which is correlated with a first particle size fraction and which is advantageously between 100 and 500 nanometers.
  • the particle size distribution of the fine-grained sintered material in the roving bed further has a second maximum correlated with a second particle size fraction, which is advantageously above 5000 nanometers and more preferably above 10000 nanometers.
  • the first and the second particle size fractions each independently account for at least 10% by volume in the ceramic proportion of the ready-to-use roving laminate.
  • the particle size fraction with the larger mean grain size weighted by volume fraction makes up a smaller volume fraction than the grain size fraction with the smaller average grain size. This results in components with a particularly high resistance to brittle fracture.
  • the roving compositions according to the invention have particularly advantageous mechanical properties when the fiber content in the roving layer is in a range from 15 to 45% by volume, in particular from 20 to 30% by volume and particularly preferably at about 25% by volume. % lies. This applies in particular when fibers with a high content of Al 2 O 3 are used, and especially when the Al 2 content in the fibers is above 99% by weight.
  • the band-shaped rovings produced by means of the first method according to the invention have particularly advantageous mechanical properties when the fiber content in the ready-to-use casting or in a green compact formed therewith is in a range from 15 to 45% by volume. , in particular from 20 to 30% by volume and particularly preferably at about 25% by volume.
  • a particularly preferred further development of the method according to the invention is obtained when the roving jelly wound on a wound body and infiltrated with a moist slurry is cooled to such an extent that the slurry solidifies due to temperature, in particular because the water freezes in the slurry.
  • the mobility of the fibers or rovings overall in the context is significantly reduced, so that achieve a significantly increased precision or significantly lower tolerances by reduced tearing or evasion of the Geleges under the influence of a cutting tool when cutting the band-shaped gel to let.
  • the wound body, together with the wet scrim wound thereon is brought into a cold chamber, so that the temperature of the wound body can decrease so much that the scrim solidifies.
  • cooling to 0 ° C or slightly lower temperatures is generally sufficient.
  • the scrim is wound onto a wound body, the temperature of which is so low that the scrim wound on it solidifies due to temperature.
  • a removable winding body can be used, which has been brought to a temperature which is sufficiently low for the described purpose, for example, before the preparation of the fabric. by storage in a cold chamber.
  • a winding body is used whose heat capacity is such that its temperature during preparation of the gel at the intended processing temperatures preferably also taking into account the heat capacity of the wound wet mat always below the solidification temperature of the slurry remains.
  • an actively cooled winding body whose temperature is e.g. by means of a coolant or refrigerant, which flows through a winding tube arranged on the coolant tube, possibly also evaporator tube.
  • a thermoelectric cooling e.g. using peltier elements are used.
  • the temperature of the wound body is preferably controlled so that it always remains below the solidification temperature of the slurry during the production of the fabric at the intended processing temperatures, taking into account the heat capacity of the wound wet fabric.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device suitable for producing a roving set according to the invention
  • Fig. 2 a cut-to-length section of a roving fabric according to the invention, i. a roving,
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a method for producing a T-profile based on a roving covering according to the invention
  • FIG. 4 shows a perspective view of an L-profile based on a roving structure according to the invention
  • FIG. 5 shows a perspective view of a U-profile based on a roving structure according to the invention
  • FIG. 7a an integrally formed charging grate in plan view, joined from a roving covering according to the invention, FIG.
  • FIG. 7b the charging grid of Fig. 7a in a side view
  • FIG. 8 shows a helical component based on a band-shaped roving structure according to the invention
  • FIG. 9a shows a plan view of an integrally formed robot arm, joined from a roving covering according to the invention.
  • Fig. 9b the robot arm of Fig. 9a in a side view.
  • a slip is prepared on the basis of a high-purity ultrafine-milled aluminum oxide, the proportion of Al 2 O 3, based on the total weight of the finest-grained aluminum oxide, being about 99.8% by weight.
  • the proportion of a-Al2O3 is at least 95%.
  • the particle size distribution has a maximum between 0.1 and 0.4 micrometers.
  • the slip is prepared from the above-mentioned finely ground aluminum oxide, water and a carboxylic acid-based condenser, the proportion by weight of the aluminum oxide in the slip being about 80%. Furthermore, the carboxylic acid-based liquefier is added in aqueous form in a proportion by weight of about 2 to 3%. Water is added as the remaining component. All three components are mixed thoroughly until a high viscosity suspension is obtained. Milling during mixing is not required.
  • FIG. 1 The construction of a device which is suitable for producing a band-shaped roving fabric 20 according to the invention is shown schematically in FIG.
  • a roving preparation station 10 not shown in detail, a plurality of endless multifilament fibers of the Nextel TM 610 type (fiber weight 3,000 den, 10,000 den or 20,000 den) are unwound from storage bobbins by means of an unwinding device and brought together in a roving. The roving thus obtained is fed to a Schlickerbad, which at the same time the slip described above is supplied in sufficient quantity.
  • Nextel TM 610 type fiber weight 3,000 den, 10,000 den or 20,000 den
  • the roving By passing the roving through the slurry bath, it is infiltrated so that there is an intensive penetration of the roving with the slurry, which in particular also extends to the region between the fibers of the roving consisting of a bundle of multifilament fibers. Additional deflections of the roving in the slip bath over cylinders with a smooth surface guarantee complete infiltration.
  • the infiltrated roving is passed through a plurality of successive mechanical diaphragms.
  • the minimum cross section of the diaphragms used is chosen so that it is greater than the minimum cross section of the rovings obtained with optimum space filling of the multifilament fibers.
  • the construction of the roving preparation station 10 shown here corresponds in principle to the device known from DE 10 2014 115 414 A1 for producing a roving impregnated with a slurry.
  • the infiltrated vvu leaves the roving preparation station 10 and is fed via a plurality of deflection rollers 12 to a CNC-controlled winding and cutting station 14.
  • the infiltrated roving is automatically wound onto a cylindrical winding body 16.
  • Winding body 16 are generated.
  • the cylindrical bobbin has a diameter of 45 cm, its length is 120 cm.
  • the winding body is rotated about its axis of symmetry.
  • the infiltrated roving is wound on the outer surface of the winding body 16 so that a multi-layered tubular scrim results. In each individual layer, the turns of the roving are close-to-dense.
  • the winding angle in the first, third, fifth etc. position is approximately + 20 °.
  • the winding angle in the second, fourth, sixth, etc. position is about - 10 °.
  • the tubular scrim is 10-ply.
  • the tubular scrim which is wound onto the lateral surface of the cylindrical wound body 16, is spirally separated from the lateral surface by means of a cutting knife 19 running on the lateral surface of the wound body.
  • the winding body 16 is rotated about its axis of symmetry, while the cutting blade 19 is linearly displaced at a constant feed along the axis of rotation of the winding body 16.
  • the feed at a given speed of the winding body 16 is adjusted so that a pitch of 10 cm results.
  • the cutting blade 19 is so aligned that the blade alignment is oriented parallel to the discharge line of the cutting blade 19 on the lateral surface of the winding body 16.
  • the thickness d of the band-shaped Rovinggeleges 30 is typically about 0.7 to 1.2 cm in a 10-layer tubular scrim. The dimensions b and d are illustrated in FIG. 2 by way of example with reference to a cut-to-length section of a band-shaped roving fabric 30 (see FIG. 2).
  • the total length of the band-shaped Rovinggeleges 30 thus obtained is about 14 meters, so that the obtained band-shaped Rovinggelege 30 is readily considered to be "endless" in the sense.
  • the feed of the cutting blade 19 is adjusted so that the resulting cutting line is inclined by a cutting angle of + 15 ° to the axis of symmetry of the winding body 16.
  • the rovings embedded in the various layers are inclined symmetrically with respect to the longitudinal axis of the strip-shaped roving fabric 30 obtained. Components produced from such a roving 30 have relatively isotropic mechanical properties relative to the plane of the roving 30.
  • the obtained band-shaped Rovinggelege 30 is further wound on a roll of tape 45 and then preserved by the roll of tape 45, for example, in a humidor (not shown) stored at a humidity of 100% to transport or further processing.
  • the band-shaped roving structure 30 obtained is cut by means of a cutting device 50 into band-shaped gel segments 32 and fed to a further processing.
  • the two band-shaped web segments 32 are fed to a processing station 60.
  • the processing station has an air humidity of at least 70%.
  • the web segments 32 are first of all shaped into a L-shaped web segment 34 by means of a suitable device (not shown) and then joined together in a still moist state to form a T-shaped component 35.
  • the produced T-shaped component 35 is fed to a drying station 70 and dried, so that a mechanically stable, sinterable greening is obtained.
  • the component 35 When passing through the drying station 70, the component 35 may, for example, be exposed along a defined path to a moisture content reducing infrared or microwave radiation.
  • the obtained sinterable green compact is fed to a sintering apparatus 80.
  • This may be, for example, a chamber furnace in which the green compact is sintered at a temperature of about 1200 ° C for about one hour.
  • the sintering device 80 consists, for example, of a furnace with a plurality of discrete temperature zones.
  • the sintered component 36 consisting of an oxide-ceramic fiber composite material can optionally be fed to a cooling station (not shown) in order to accelerate the cooling.
  • a still wet scrim segment 32 is angled centrally through its entire length by 90 ° in order to form an L-shaped carrier 34.
  • the green compact is allowed to dry to the extent that it can be frozen and moved without losing its shape. Subsequently, it is sintered in a suitable sintering apparatus at a temperature of about 1200 ° C for about one hour.
  • the sintering device consists for example of an oven with a plurality of discrete temperature zones, through which the green body is passed in sections.
  • a still wet scrim segment 32 is angled twice over its entire length by 90 ° each in order to form a U-shaped carrier 35.
  • the green compact is allowed to dry to such an extent that it can be frozen and moved without losing its shape.
  • the molded green compact can be dried, for example, on a core of suitable shape.
  • the green compact is again sintered in a suitable sintering apparatus at a temperature of about 1200 ° C for about one hour.
  • the sintering device consists for example of an oven with a plurality of discrete temperature zones, through which the green body is passed in sections.
  • An analogous sintering process is preferably also subjected to the H or double T-carrier 38 shown in FIG. 6, which is joined from two still moist U-carriers according to FIG. 5.
  • a double-T-carrier 38 can be used, for example, as a carrier for a catalyst bed inside a chemical reactor and as such without further lengths of a few meters without further support span.
  • the ceramic fiber-reinforced double-T carrier made of a ceramic composite material shown here shows virtually no softening even at working temperatures of more than 700 ° C.
  • FIG. 7a shows a further exemplary embodiment of a component made of a ceramic fiber-reinforced ceramic made from a band-shaped blanking structure, namely an integrally formed charging grate 40.
  • This charging grate 40 is joined by a single roving frame according to the invention and forms a closed loop.
  • FIG. 7 b which shows the charging grate 40 from FIG. 7 a in a lateral view
  • the band-shaped roving jig formed for the charging grate 40 is perpendicular to the plane spanned by the charging grate 40.
  • Such a charging grate 40 may e.g. find use in the hardening of gears, clutch springs, metal catalyst carrier in the hardening industry.
  • FIG. 8 shows, as a further exemplary embodiment, a roving covering according to the invention, which has been converted into a helical component 41 and subsequently dried and sintered.
  • the sintering process can be carried out in sections in a chamber furnace, for example.
  • Such a component can be used because of its corrosion and heat resistance, for example in chemical production.
  • it may be inserted into a fluid-flow tube to create a non-laminar flow in the tube which may be beneficial in removing heat from the fluid to the tube wall.
  • FIG. 9a shows, as a last exemplary embodiment, a plan view of an integrally formed robot arm 42, which is joined in one piece from a roving structure according to the invention and can have a total length of up to several meters.
  • the robot arm 42 forms at its one end a first mechanical interface 43, for example for attachment to a production robot, and at its other end a second mechanical interface 44, for example for fastening a gripping device.
  • FIG. 9b shows the robot arm 42 from FIG. 9a in a lateral view.
  • the charging grid according to FIGS. 7a and b. is also the robot arm according to Figs.
  • Such a robot arm 42 can be used, for example, in the field of hardening, for example as part of a loading robot of an annealing furnace, which charges it with parts to be hardened, such as gearwheels, and removes them again from the furnace.
  • the robot arm made of ceramic-fiber-reinforced ceramics shows practically no softening even at working temperatures of more than 700 ° C, thus allowing for very high positioning accuracy over many hours.
  • Expensive systems for position detection of the gripping device attached to the outside end of the robot arm for example on the basis of image acquisition, can thus be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines endlosen bandförmigen Rovinggeleges für die Herstellung eines hochtemperaturstabilen Bauteils aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff. Das Verfahren basiert darauf, dass ein Roving auf einen Wickelkörper aufgewickelt wird, so dass ein mehrlagiges rohrförmiges Gelege erhalten wird, wobei der Roving einen mit einem feuchten Schlicker infiltrierten Multifilamentfaserbündel umfasst. Danach folgt das spiralförmiges Abtrennen eines bandförmigen Rovinggeleges von dem Gelege. Das erhaltene endlose bandförmige Rovinggelege kann beispielsweise zur Herstellung eines Grünlings für ein hochtemperatur-stabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff verwendet werden. Die Multifilamentfaserbündel der aneinander angrenzenden einzelnen Lagen schließen einem Winkel γ mit γ Λ 10° miteinander ein.

Description

Bezeichnung der Erfindung: Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen
Rovinggeleges aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, Ver- fahren zur Herstellung von hochtemperaturstabilen Bauteilen aus ei- nem keramischen Faserverbundwerkstoff sowie hochtemperatur- stabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines bandförmigen Rovinggeleges sowie ein Verfahren zur Herstellung von hochtempe- raturstabilen Bauteilen aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, beispielsweise hergestellt nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren.
Aus der DE 10 2014 115414 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rovings für einen oxidkeramischen Faserverbundwerkstoff bekannt. Der Faserverbundwerk- stoff weist einen Kern aus einer Mehrzahl von oxidkeramischen Fasern auf, wobei der Kern in eine Matrix aus einem gesinterten Metalloxid eingebettet ist.
Mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren können unterschiedliche Produkte, wie Stäbe, Platten und Federn hergestellt werden. Aufgrund der schwie- rig einzuhaltenden Verfahrensbedingungen sind die mit dem bekannten Verfahren hergestellten Produkte in ihre Größenordnung jedoch stark limitiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren bereitzustellen, insbesondere ein Verfahren be- reitzustellen, mit dem ein endloses bandförmiges Rovinggelege für die Herstellung eines hochtemperaturstabilen Bauteils aus einem keramischen Faserverbundwerk- stoff herstellbar ist. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfah- ren zur Herstellung von Grünlingen für hochtemperaturstabilen Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff sowie für derartige Bauteile bereitzustellen. Weiterhin ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Grünling für ein hochtem- peraturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff mit vorteil- haften Eigenschaften bereitzustellen sowie ein solches hochtemperaturstabiles Bauteil anzugeben. Diese Aufgaben werden gelöst mit Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 15 sowie 23 sowie mit einem Grünling gemäß Anspruch 25 und einem hochtem- peraturstabilen Bauteil gemäß Anspruch 34.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. So können die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läuterten Merkmalen kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvari- anten der Erfindung darstellen.
Die Unteransprüche betreffen jeweils bevorzugte Ausgestaltungen bzw. Weiterbil- dungen der vorliegenden Erfindung, deren jeweilige Merkmale im Rahmen des technisch Sinnvollen ggf. auch über die Kategoriegrenzen der verschiedenen An- sprüche hinweg frei miteinander kombinierbar sind.
Es sei angemerkt, dass die zwischen zwei Merkmalen stehende und diese mitei- nander verbindende Konjunktion„und/oder" hierin stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Ferner sind im Sinne der vorliegenden Erfindung hierin verwendete relative Be- griffe bezüglich eines Merkmals, wie zum Beispiel der vorstehend bereits verwen- dete relative Begriff „größer", aber auch weitere relative Begriffe wie„kleiner", „breiter",„schmaler",„höher",„niedriger",„schwerer",„leichter",„weicher", här- ter" und dergleichen, stets so auszulegen, dass herstellungsbedingte Größenab- weichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für das jeweilige Her- stellungsverfahren des betreffenden Merkmals definierten Herstellungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist gemäß dieser in dem gesamten hier vorliegenden Dokument geltenden Defini- tion eine Größe eines Merkmals erst dann als im Sinne der vorliegenden Erfindung „größer",„kleiner",„breiter",„schmaler",„höher",„niedriger",„schwerer",„leich- ter", „weicher", härter" und dergleichen anzusehen als eine Größe eines Ver- gleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so sehr voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht mehr den herstellungsbedingten Toleranzabweichungen des betreffenden Merkmals zuzu- rechnen ist, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zur Her- stellung eines endlosen bandförmigen Rovinggeleges.
Unter dem Begriff„endlos" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Länge verstanden, die groß ist im Verhältnis zur Breite und auch im Verhältnis zur Stärke des resultierenden bandförmigen Rovinggeleges. Groß bedeutet im Kontext der Erfindung bevorzugt mindestens um den Faktor 20 größer, ggf. aber auch um ei- nen noch höheren Faktor größer.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, kontinuierlich oder halbkontinuierlich arbeitend ausgeführt zu werden, was jedoch nicht zwin- gend erforderlich ist. Bei einer halbkontinuierlichen Verfahrensführung wird bei- spielsweise eine Anlage derart ausgeführt, dass eine Komponente kontinuierlich dem Prozess zugeführt wird, wobei das hergestellte Produkt diskontinuierlich dem Prozess entnommen wird. Dementsprechend wird in einer kontinuierlichen Verfah- rensführung die Anlage derart ausgeführt, dass die dem Prozess zugeführte Kom- ponente als auch das dem Prozess entnommene Produkt kontinuierlich zu- bzw. abgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung eines bandförmigen Roving- geleges vorgesehen, welches für die Herstellung eines hochtemperaturstabilen Bauteils aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff verwendet werden kann.
In einem ersten Schritt wird ein sogenannter Roving bereitgestellt, welcher einen mit einem feuchten Schlicker infiltrierten Multifilamentfaserbündel umfasst. Der Schlicker ist im trockenen Zustand sinterfähig, wobei„trocken" in diesem Zusam- menhang einen für einen Sintervorgang ausreichend niedrigen Feuchtigkeitsgrad meint. In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung sind die Multifilamentfasern im Roving zu einem Garn versponnen. Auch diese Ausgestaltung erlaubt es, das Garn vor Ort aus ggf. bereits mit einem Schlicker infiltrierten Multifilamentfasern herzustellen und nachfolgend zur Herstellung eines Geleges zu verwenden.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Roving lagenweise spiralförmig auf einen beispielsweise zylindrischen Wickelkörper aufgewickelt, dergestalt dass ein mehrlagiges rohrförmiges Gelege erhalten wird.
Dabei kann das Aufwickeln auf den Wickelkörper dergestalt erfolgen, dass die Win- dungen des Rovings innerhalb einer Lage dicht-an-dicht liegen. Dieses Wickelmus- ter ergibt geschlossene Lagen des Rovings und damit eine hohe mechanische Fes- tigkeit des späteren (gesinterten) Bauteils bei einer hohen Dichte.
Das Aufwickeln kann aber auch so erfolgen, dass in den einzelnen Lagen Abstände zwischen den einzelnen Windungen des Rovings liegen. Schließlich kann das Auf- wickeln auch so erfolgen, dass Gruppen von Windungen gebildet werden, in denen die Windungen des Rovings dicht-an-dicht liegen, und zwischen diesen Gruppen Abstände liegen, so dass sich die Gruppen nicht berühren. Diese letztgenannten Wickelschemata führen zur Ausbildung von mehr oder weniger großen Maschen im entstehenden Gelege. Auf diese Weise kann die Dichte des Geleges reduziert wer- den und der zur Herstellung des Geleges erforderliche Materialeinsatz, ohne dass die mechanische Festigkeit des späteren (gesinterten) Bauteils deutlich verringert sein muss.
In einem dritten Verfahrensschritt wird das im zweiten Verfahrensschritt erhaltene rohrförmige Gelege spiralförmig um die Drehachse des Wickelkörpers abgetrennt, so dass ein bandförmiges Rovinggelege erhalten wird. Beim Abtrennen des band- förmigen Rovinggeleges ist das rohrförmige Gelege bevorzugt noch auf der Man- telfläche des Wickelkörpers angeordnet.
Bevorzugt erfolgt das spiralförmige Abtrennen des bandförmigen Rovinggeleges vom rohrförmigen Gelege dergestalt, dass die Länge L des abgetrennten bandför- migen Rovinggeleges zumindest das 20-fache der Breite L des abgetrennten band- förmigen Rovinggeleges beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Länge L das 35- fache der Breite B und besonders bevorzugt zumindest das 50-fache der Breite B.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, mehrlagige bandförmige Gelege aus mit einem Schlicker imprägnierten Roving bereitzustellen, die wegen ihres sehr großen Aspektverhältnisses insbesondere geeignet sind zur Herstellung von ein- stückigen, stark länglichen Bauteilen wie Trägern oder Tragarmen, die mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bislang praktisch nicht oder nur mit sehr großem Aufwand herstellbar sind. Aber auch flächige Bauteile wie annähernd quadratische oder runde Trägerroste können basierend auf dem hergestellten bandförmigen Gelege in einstückiger Form hergestellt werden, so dass aufgrund der Abwesenheit von strukturschwächenden Querschnittverminderungen wie sie z.B. unvermeidlich bei den aus dem Stand der Technik in Feder-Nut-Technik aus einer Vielzahl von kleineren Elementen zusammengesetzten Bauteilen vorhanden sind, deutlich schlankere und damit leichtere und vor allem kostengünstigere Bau- teile bei gleicher mechanischer Belastbarkeit realisiert werden können.
Bevorzugt erfolgt das spiralförmige Aufwickeln des Rovings in einem Wickelwinkel ß*, wobei für den Wickelwinkel ß* gilt: ß* = 90 - ß, mit der Maßgabe, dass ß einen Wert im Bereich von 5° - 30°, mehr bevorzugt im Bereich von 8° - 25° und besonders bevorzugt im Bereich von 10° - 20° aufweist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das rohrförmige Gelege mindestens 2 gewickelte Lagen des Rovings, be- vorzugt mindestens 3 gewickelte Lagen und besonders bevorzugt mindestens 4 gewickelte Lagen. Es sind aber auch deutlich mehr Lagen denkbar und je nach Anwendungsfall technisch sinnvoll. Die sich ergebende Dicke des rohrförmigen Ge- leges ist hierbei unmittelbar von der Dichte des Rovings in einer Lage, dem Ro- vingdurchmesser sowie der Zahl der Lagen bestimmt. Es liegt im Rahmen des fachmännischen Könnens, diese Parameter passend für einen gegebenen Anwen- dungsfall zu wählen. Typische Dicken betragen einige Millimeter, d.h. zwischen 1,5 und 7 Millimetern, wobei im Einzelfall auch kleiner oder größere Dicken möglich und technisch sinnvoll sein können.
In der Regel werden in mehrlagigen Rovinggelegen die Wickelwinkel ß* aufeinan- derfolgender Lagen voneinander verschieden sein. Insbesondere können sie ent- gegengesetzte Vorzeichen aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausgestal- tung sind die Wickelwinkel ß* aufeinanderfolgender Lagen betragsmäßig im We- sentlichen gleich, weisen aber verschiedene Vorzeichen auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das spiralförmige Abtrennen des bandförmigen Rovinggeleges in einem Schnitt- winkel a* erfolgt, der im Bereich zwischen 2° - 35°, bevorzugt im Bereich zwischen 5° und 25° und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 7° und 20° liegt.
Bei einem als zylindrisch angenommenen Wickelkörper mit einem Radius r und einer Ganghöhe b eines Schneidmessers, mit dem das bandförmige Rovinggelege von der Mantelfläche des Wickelkörpers geschnitten wird, gilt für den Schnittwinkel a * :
a* = 90 - (arctan * (b/2rrr)).
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Wickelwinkel ßn*, ßn+i* aufeinanderfolgender Lagen symmetrisch um den im dritten Verfahrensschritt verwendeten Schneidwinkel a* verteilt, d.h. sie genü- gen der Form :
ßn* = a* + D
ßn+l* = a* - D wobei D im Bereich liegt von 5° - 30°, mehr bevorzugt im Bereich von 8° - 25° und besonders bevorzugt im Bereich von 10° - 20°. In dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Rovings in den einzelnen Lagen des erhal- tenen bandförmigen Rovinggeleges symmetrisch gegen die Längsachse des band- förmigen Rovings geneigt. Es entsteht ein Roving mit besonders homogenen me chanischen Eigenschaften. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Wickelkörper entlang seiner Drehachse eine Länge L auf. In dieser Aus- gestaltung beträgt die Breite B des abgetrennten bandförmigen Rovinggeleges ma ximal L/2, bevorzugt maximal L/3 und besonders bevorzugt L/4 oder weniger. Die Breite B wird dabei über den Schnittwinkel a* gesteuert.
Anschließend an die vorstehend genannten ersten drei Verfahrensschritte des er- findungsgemäßen Verfahrens wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfah- rens in einem nachgelagerten Verfahrensschritt das abgetrennte bandförmige Ro- vinggelege entweder zu bandförmigen Gelegesegmenten vereinzelt und/oder zu einer Bandrolle aufgerollt. Ein Vereinzeln in diesem Verfahrensstadium ist dann vorteilhaft, wenn bereits bekannt ist, welche bandförmigen Elemente zur Erstel- lung eines herzustellenden Bauteils benötigt werden. Ein Aufrollen des gesamten erhaltenen bandförmigen Rovinggeleges ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine Bevorratung für eine spätere Weiterverarbeitung gewünscht ist, deren Details noch nicht bekannt sind.
In beiden Fälle kann es vorteilhaft sein, wenn die vereinzelten Gelegesegmente, die ggf. ihrerseits ebenfalls aufgerollt werden können, oder die Bandrolle in einem luftdichten Behältnis verpackt werden, um eine vorzeitige Trocknung und eine da- mit einhergehende Erstarrung des feuchten Schlickers zu vermeiden.
Besondere Vorteile hinsichtlich der für eine Weiterverarbeitung des erhaltenen bandförmigen Rovinggeleges bzw. der Bandsegemente zur Verfügung stehenden Zeit ergeben sich, wenn die vereinzelten Gelegesegmente oder die Bandrolle in einem Lagerraum oder -behältnis mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit angeordnet werden. Hierbei beträgt die kontrollierte Luftfeuchtigkeit 95% oder höher.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah- rens weist der für die Bereitstellung des Rovings verwendete Schlicker eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist: AI203, Si02, Mullit, SiC. Aber auch andere, dem Fachmann bekannte Komponenten können für die Zubereitung des Schlickers verwendet werden. Besonders bevorzugt sind die Komponenten AI203, Si02, Mullit entweder einzeln oder in Mischungen aus zwei oder drei der genannten Komponenten enthalten. Grundsätzlich hat es sich gezeigt, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens sehr gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Fasern im Multifila- mentfaserbündel eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen : AI203, Si02, Mullit, Kohlenstoff, SiC. Aber auch andere, dem Fachmann bekannte Komponenten können in den verwendeten Multifilamentfasern enthalten sein. Be- sonders bevorzugt sind die Komponenten AI203, Si02, Mullit entweder einzeln o- der in Mischungen aus zwei oder drei der genannten Komponenten enthalten.
Ein ebenfalls zur Erfindung gehörendes Verfahren zur Herstellung eines Grünlings für ein hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerk- stoff weist die Verfahrensschritte gemäß Anspruch 15 auf.
In einem ersten Verfahrensschritt wird also mindestens ein bandförmiges Roving- gelege oder Gelegesegment mittels eines Verfahrens gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt und für eine Weiterverarbeitung bereitgestellt.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird dann das mindestens eine band- förmige Rovinggelege oder Gelegesegment zu einem Grünling für ein hochtempe- raturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff umgeformt und/oder gefügt. Dabei ist es insbesondere möglich, einen Grünling aus mehreren bandförmigen Rovinggelege oder Gelegesegmenten zusammenzufügen. Es ist aber auch möglich, einen einstückigen Grünling aus einem einzigen bandförmigen Ro- vinggelege zu formen.
Das Formen des Grünlings kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das bereit- gestellte bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment auf einem formgebenden Negativkörper abgelegt wird und dort bis zu einer ausreichenden Erstarrung des Schlickers verbleibt.
Alternativ kann das bereitgestellte bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment auch in eine formgebende Schablone eingelegt oder eingespannt werden, wo es bis zu einer ausreichenden Erstarrung des Schlickers verbleibt. Unter„Fügen" ist im Kontext der vorliegenden Erfindung einerseits zu verstehen, dass ein einzelnes bandförmiges Rovinggelege oder Gelegesegment so umgeformt wird, dass es in mindestens einem, in der Regel aber mehreren Oberflächenab- schnitten, mit sich selbst verbunden wird. Hierzu werden vorteilhaft die Deckflä- chen des bandförmigen Rovinggeleges oder Gelegesegments in eine berührende Verbindung gebracht, so dass sich der noch feuchte Schlicker der berührenden Abschnitte miteinander vermischt. Beim Sintern eines solchen Grünlings entstehen an diesen Berührstellen mechanisch belastbare Verbindungsstellen zwischen den verschiedenen Abschnitten des bandförmigen Rovinggeleges oder Gelegeseg- ments.
Neben der Verbindung eines bandförmigen Rovinggeleges oder Gelegesegments mit sich selbst kann es aber auch vorteilhaft sein, mehrere Rovinggelege oder Gelegesegment zu einem größeren Bauteil zusammenzufügen, oder ein mittels ei- nem oder mehreren Rovinggelege/n oder Gelegesegments/e ausgebildetes Bauteil gezielt lokal zu verstärken, indem eine Verstärkung, eine Spange o.ä. aus einem separat ausgebildeten Gelegesegment in die Struktur des Bauteils eingefügt wird. Die mechanische Verbindung zwischen Bauteil und Verstärkung kann dabei z.B. auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt werden, die die Einbringung strukturschwächender Nuten überflüssig macht.
Es hat sich insgesamt als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Umformen oder Fü- gen in einer Umgebung mit einer Luftfeuchtigkeit von mindestens 70 % erfolgt.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment zu einem Grünling umgeformt, der zumindest eine Knicklinie aufweist, die parallel oder quer zu seiner Erstreckungsrichtung ori- entiert ist.
Wird eine parallele Knicklinie eingebracht, so kann beispielsweise ein V-förmiges Winkelprofil mit einem beliebigen Winkel, der z.B. 90° oder 120° betragen kann, hergestellt werden.
Zwei parallele Knicklinien können z.B. zur Ausbildung eines U-Profils eingebracht werden. io
Wird eine quer orientierte Knicklinie eingebracht, so kann z.B. eine Winkelstruktur erzeugt werden, die durch ihre Schenkel eine Ebene aufspannt und im gesinterten Zustand dazu vorgesehen sein kann, zu härtende Teile in einem Glühofen zu tra gen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird/wer- den ein oder mehrere bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment/e dergestalt zu einem Grünling umgeformt und ggf. gefügt, dass der hergestellte Grünling eine Ebene aufspannt.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird der Grünling so geformt, dass er eine bevorzugt geschlossene Schleife ausbildet.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Grünling so geformt, dass in der vom Grünling ausgebildeten Struktur die Weite W des Rovinggeleges oder Gelegesegments quer zu der vom Grünling aufgespannten Ebene im Wesentlichen konstant ist. Bei dieser Verfahrensführung werden strukturschwächende Quer- schnittsverjüngungen im durch Sintern des Grünlings erhaltenen Bauteil vermie- den.
Eine besonders hohe mechanische Tragkraft eines späteren Bauteils kann realisiert werden, wenn durch geeignete Verfahrensführung sichergestellt wird, dass das bzw. die bandförmige/n Rovinggelege oder Gelegesegment/e im erstarrten Grün- ling senkrecht zu der von diesem aufgespannten Ebene orientiert ist/sind.
Das vorstehend offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Grünlings für ein hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faser- verbundwerkstoff in seinen vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausgestal- tungen wird bevorzugt ergänzt um einen weiteren Verfahrensschritt, in dem der erhaltene Grünling so weit getrocknet wird, dass er gesintert werden kann. Die hierzu erforderliche Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts im Schlicker kann einer- seits durch einfache Trocknung bei Umgebungsbedingungen erfolgen. Sie kann aber auch unter ggf. zusätzlicher Anwendung von Infrarotstrahlung oder Mikro- wellenstrahlung erfolgen. Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturstabilen Bauteils aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff. Dieses ebenfalls erfindungsgemäße Herstellungsverfahren umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte aufweisend : a. Herstellen eines Grünlings nach einem Verfahren gemäß zumindest ei- nem der Ansprüche 15 bis 22,
b. Reduzieren des Feuchtigkeitsgehalts des feuchten Schlickers, so dass dieser gesintert werden kann, und
c. Sintern des Grünlings.
Dabei erfolgt das Sintern bevorzugt bei einer Temperatur von 1.000°C - 1.450°C, besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 1.150°C und 1.300°C.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Grünling für ein hoch- temperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff. Ein sol- cher Grünling kann insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhal- ten werden. Entsprechend wird auf die technischen Merkmale der vorstehend dis- kutierten erfindungsgemäßen Verfahren in ihren verschiedenen Ausprägungen verwiesen, soweit sich diese auf Merkmale des herzustellenden bzw. hergestellten Grünlings beziehen. Diese Merkmale lassen sich von einem Fachmann ohne erfin- derisches Zutun auf einen erfindungsgemäßen Grünling übertragen, entsprechend sind Grünlinge, die einzelne oder mehrere dieser Merkmale aufweisen ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.
Mittels Sintern in einem geeigneten Temperaturbereich über eine geeignete Zeit- dauer entsteht aus einem ausreichend getrockneten erfindungsgemäßen Grünling ein erfindungsgemäßes hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff. Alle nachfolgend anhand vorteilhafter Ausgestaltungen ei- nes erfindungsgemäßen Grünlings offenbarten Merkmale lassen sich daher unmit- telbar auf ein solches erfindungsgemäßes Bauteil übertragen, ohne dass ein erfin- derisches Zutun erforderlich wäre. Auch sind entsprechend weitergebildete erfin- dungsgemäße hochtemperaturstabile Bauteile aus einem keramischen Faserver- bundwerkstoff ebenfalls als zur vorliegenden Erfindung gehörend anzusehen. Ein erfindungsgemäßer Grünling weist ein bandförmiges Rovinggelege bzw. Gele- gesegment auf. Dieses bandförmige Rovinggelege bzw. Gelegesegment weist mehrere übereinander geschichtete Lagen auf, die jeweils in der Ebene des Ro- vinggeleges bzw. des Gelegesegments orientiert sind und jeweils eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten, mit einem feuchten Schlicker infiltrierte Multifila- mentfaserbündel bzw. Rovings umfassen. In den aneinander angrenzenden ein- zelnen Lagen weisen die Multifilamentfaserbündel bzw. Rovings einem Winkel g mit g > 10° miteinander ein. Der zur Infiltration verwendete Schlicker ist im aus- reichend trockenen Zustand sinterfähig.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Länge L des bandförmigen Roving- geleges bzw. Gelegesegments zumindest das 20-fache der Breite L des bandför- migen Rovinggeleges bzw. Gelegesegments beträgt, bevorzugt zumindest das 35- fache und besonders bevorzugt zumindest das 50-fache.
Ein Rovinggelege mit diesen Eigenschaften lässt sich beispielsweise auf sehr ein- fache Weise mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1, ggf. weitergebildet mit Merk- malen der hierauf rückbezogenen Ansprüche, erhalten.
Bevorzugt weist der Schlicker im erfindungsgemäßen Rovinggelege bzw. Gelege- segment eine oder mehrere der folgenden Komponenten auf: AI203, Si02, Mullit, SiC. Auch hier ist bevorzugt nur eine der genannten Komponenten im Schlicker vorhanden, beispielsweise AI203 oder Mullit. Ggf. kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn zwei oder sogar drei der genannten Komponenten vorhanden sind.
Weiterhin bevorzugt weisen die Fasern im Multifilamentfaserbündel eine oder meh- rere der folgenden Komponenten auf: AI203, Si02, Mullit, SiC, Kohlenstoff. Auch hier ist bevorzugt nur eine der genannten Komponenten im Schlicker vorhanden, beispielsweise AI203, Mullit oder Kohlenstoff. Ggf. kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn zwei oder sogar drei der genannten Komponenten vorhanden sind.
Besonders bevorzugt ist eine der genannten Komponenten sowohl im Schlicker als auch in den Fasern des Multifilamentfaserbündels vorhanden, beispielsweise AI203 oder Mullit. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist die im Schlicker enthaltene Komponente nicht in den Fasern vorhanden, oder/und umgekehrt. So kann es sich bei den Fasern um reine AI203-Fasern handeln, wobei der Schlicker rein mullitisch ist.
Je nach geforderten Eigenschaften des durch Sintern entstehenden Verbundwerk- stoffs können aber auch Mischformen der vorgenannten Kombinationen vorteilhaft sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist ein erfindungsgemäßer Grünling eine Knicklinie auf, die parallel oder quer zu seiner Erstreckungsrichtung orientiert ist.
Weist der Grünling eine parallele Knicklinie auf, kann der kann der Grünling bei- spielsweise ein V-förmiges Winkelprofil mit einem beliebigen Winkel, der z.B. 90° oder 120° betragen kann, ausbilden.
Sind zwei parallele Knicklinien des vorgenannten Typs in den Grünling eingebracht, so kann dieser ein U-Profil ausbilden.
Ist eine quer orientierte Knicklinie in den Grünling eingebracht, so kann dieser z.B. eine Winkelstruktur ausbilden, die durch ihre Schenkel eine Ebene aufspannt. Ein aus einem solchen Grünling durch Sintern erhaltenes Bauteil kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, zu härtende Teile während des Glühens in einem Glühofen zu tragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird/wer- den ein oder mehrere bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment/e dergestalt zu einem Grünling umgeformt und ggf. gefügt, dass der hergestellte Grünling eine Ebene aufspannt.
In einer bevorzugten Weiterbildung bildet der so erhaltene Grünling eine bevorzugt geschlossene Schleife aus. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist in der vom Grünling ausgebildeten Struktur die Weite W des Rovinggeleges oder Gelegesegments quer zu der vom Grünling aufgespannten Ebene im Wesentlichen konstant. Bei dieser Verfahrens- führung werden strukturschwächende Querschnittsverjüngungen im späteren Bauteil vermieden.
Eine besonders hohe mechanische Tragkraft eines durch Sintern des Grünlings er- haltenen Bauteils kann realisiert werden, wenn durch geeignete Verfahrensführung sichergestellt wird, dass das bzw. die bandförmige/n Rovinggelege oder Gelege- segment/e im erstarrten Grünling senkrecht zu der von diesem aufgespannten Ebene orientiert ist/sind.
Wie bereits erwähnt weist ein erfindungsgemäßes hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff zumindest einen gesinterten erfin- dungsgemäßen Grünling gemäß einer der vorstehend offenbarten Ausgestaltun- gen. Besonders bevorzugt umfasst ein erfindungsgemäßes Bauteil genau einen solchen gesinterten erfindungsgemäßen Grünling.
In einer bevorzugten ersten Ausgestaltung bildet das Bauteil einen L-Träger, einen V-Träger, einen T-Träger oder einen Doppel-T-Träger aus. Ein solcher Träger kann beispielsweise vorteilhaft in der großchemischen Produktion eingesetzt werden, z.B. im Inneren eines Reaktors mit großem Innendurchmesser. Hier kann er bei- spielsweise dazu dienen, einen hoch temperaturbeständigen Tragbalken für ein Katalysatorbett bereitzustellen, der auch bei Temperaturen von deutlich über 1.150°C praktisch keine Änderung seiner mechanischen Eigenschaften zeigt. Auch eine Verwendung in stark korrosiver Umgebung ist bei geeigneter Wahl des Mate- rials für die vom gesinterten Schlicker ausgebildeten Matrix des keramischen Fa- serverbundwerkstoffs sowie die armierenden Fasern unproblematisch möglich.
In einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung bildet das Bauteil einen Glühkorb oder einen Chargierrost aus, der z.B. zum Halten von Sintergut in einem Glühofen oder von metallischen Zahnrädern in einem Härtereiofen vorgesehen ist. In einer bevorzugten dritten Ausgestaltung bildet das Bauteil einen in einer Raum- richtung ausgedehnten Tragarm aus, der beispielsweise zur Verwendung mit ei- nem Beschickungsroboter eines Härtereiofens in einem stark wärmebelasteten Be- reich vorgesehen sein kann.
In einer vierten bevorzugten Ausgestaltung bildet das Bauteil ein korrosionsbe- ständiges, hitzefestes helixförmiges Band aus, welches beispielsweise zur Vermei- dung laminarer Strömungen in der chemischen Produktion in fluiddurchströmte Rohre einbringbar ist.
Im Folgenden soll nochmals auf wesentliche Eigenschaften der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Rovings bzw. der zur Zubereitung des Schli- ckers verwendeten Komponenten eingegangen werden.
Rovings haben sich im Kontext der vorliegenden Erfindung insbesondere dann bewährt, wenn die enthaltenen Fasern einen keramischen Werkstoff umfassen bzw. bevorzugt aus diesem bestehen, z.B. aus AI2O3 oder einer Mischung von AI2O3 und Mullit. Entsprechende Rovings werden z.B. von der Fa. 3M unter der Bezeichnung Nextel® in Form von aufgespultem Endlosmaterial angeboten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die einzelnen Filamente einer in ei- nem Roving enthaltenen Multifilamentfaser einen Durchmesser von über 3 Mikro- metern, bevorzugt über 5 Mikrometern und besonders bevorzugt von über 7 Mik- rometern auf. Insbesondere können alle enthaltenen Filamente denselben Durch- messer aufweisen, sie können aber auch eine Mehrzahl verschiedener Durchmes- ser aufweisen.
Besondere Vorteile bezüglich der Infiltrierbarkeit eines als Bündel von Multifila- mentfasern ausgebildeten Rovings ergeben sich, wenn die Multifilamentfasern im Bündel nicht miteinander verflochten oder verzwirnt sind. Zur Infiltrierbarkeit von Rovings und zu vorteilhaften Verfahren zu einer besonders homogenen Infiltrie- rung wird auf die Offenbarung der DE 10 2014 115 414 verwiesen, die durch diese Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung hinzugefügt wird. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Multifilamentfasern AI2O3, wobei der Gewichtsanteil von AI2O3 in der Multifilamentfaser über 70 %, bevorzugt über 80% und besonders bevorzugt über 99% beträgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgenannten Ausgestaltung umfassen die Multifilamentfasern weiterhin Mullit, wobei der Gewichtsanteil von Mullit in der Multifilamentfaser bevorzugt zwischen 10% und 20% beträgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgenannten Ausgestaltung umfassen die Multifilamentfasern weiterhin ZrCte, wobei der Gewichtsanteil von ZrOi in der Multifilamentfaser bevorzugt 5% oder mehr beträgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgenannten Ausgestaltung umfassen die Multifilamentfasern weiterhin SiC, wobei der Gewichtsanteil von SiC in der Multifilamentfaser bevorzugt 5% oder mehr beträgt.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von oxidkeramischen Multifila- mentfasern des Herstellers 3M erwiesen, die unter den Markennamen Nextel™ 312 (Hauptbestandteile: AI2O3, Boroxid, S1O2), 445 (Hauptbestandteil : Aluminiumsilli- kat), 550 (Hauptbestandteile: Gamma-Aluminiumoxid, S1O2) 610 und 720 vertrie- ben werden. Hierzu wird auf das Ceramic Textiles Technical Notebook verwiesen, welches von der Firma 3M unter dem Link http : //Solutions.3mdeutsch- land.de/wps/portal/3M/de DE/EU-EAMD/Home/OurProducts / NextelCeramicTex- tiles/ zum Download angeboten wird. Die bevorzugt zu verwendende Faser Nextel 610 weist einen Gewichtsanteil von AI2O3 von über 99% auf, die ebenfalls bevor- zugt zu verwendende mullitische Faser Nextel™ 720 enthält etwa 85-Gew.-% AI2O3 und 15 Gew.-% S1O2. Auch die im wesentlichen AI2O3 umfassende Faser, die unter der Marke Cerafib 99 Korund vertrieben wird, hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bewährt. Bei den mullitischen Fasern sind weiterhin die kommerziell er- hältlichen Produkte zu nennen, die unter den Marken Cerafib 75 Mullit sowie Nitivy ALF vertrieben werden. Schließlich lassen sich auch auf SiC basierende Fasern vor- teilhaft im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwenden.
Die Eigenschaften eines im Rahmen der Erfindung zur Imprägnierung des Ro- vings verwendenden Schlickers werden im Folgenden anhand der keramischen Matrix erläutert, die beim Sintern eines erfindungsgemäßen Rovinggeleges ent- steht und in welche die Fasern des Rovings eingebettet sind. Bezüglich der kera- mischen Matrix, in die die Multifilamentfasern des erfindungsgemäßen Rovingge- leges eingebettet sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die keramische Matrix einen oxidkeramischen Werkstoff umfasst.
Ein bevorzugter oxidkeramischer Werkstoff ist AI2O3. Als insbesondere vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Gewichtsanteil von AI2O3 in der Matrix über 70 %, bevorzugt über 80% und besonders bevorzugt über 99% beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die die kera- mische Matrix weiterhin Mullit. Dabei beträgt der Gewichtsanteil von Mullit in der Matrix bevorzugt zwischen 10% und 20%.
Grundsätzlich lassen sich für die Matrix des Rovinggeleges im Rahmen der vorlie- genden Erfindung weiterhin vorteilhaft AI2O3 mit einer Zirkonoxid-Dotierung oder auch Zirkonoxid selbst verwenden. So umfasst die keramische Matrix eines erfin- dungsgemäßen Rovinggeleges in einer bevorzugten Ausgestaltung ZrOi umfasst, wobei der der Gewichtsanteil von ZrOi in der Matrix höher ist als 5%.
Weiterhin lassen sich für die Matrix des Rovinggeleges im Rahmen der vorliegen- den Erfindung weiterhin vorteilhaft AI2O3 mit einer SiC-Dotierung oder SiC selbst verwenden. So umfasst die keramische Matrix eines erfindungsgemäßen Roving- geleges in einer bevorzugten Ausgestaltung SiC, wobei der der Gewichtsanteil von SiC in der Matrix höher ist als 5%.
Wie sich aus vorstehender, nicht abschließend zu verstehender Aufzählung so- wohl der Zusammensetzung der Multifilamentfasern als auch der Matrix ergibt, ist in Einzelfällen auch die Verwendung von nicht-oxidischen Werkstoffen wie SiC für Multifilamentfaser und/oder Matrix vorteilhaft. Auch diese Faserverbundwerk- stoffe werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Vereinfachung als „oxidkeramisch" bezeichnet. Grundsätzlich umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch bevorzugt zumindest die Multifilamentfaser oder die Matrix ei- nen oxidischen Werkstoff, besonders bevorzugt sowohl die Multifilamentfaser als auch die Matrix. Besondere Vorteile in Bezug auf Zug- und Bruchfestigkeit des erfindungsgemäß Rovinggeleges ergeben sich, wenn der Anteil der Multifilamentfasern im Faser- verbundwerkstoff bezogen auf das Gewicht des Rovinggeleges mindestens 10% beträgt, bevorzugt mindestens 20% beträgt und insbesondere bevorzugt min- destens 30% beträgt. Der angegebene Anteil der Multifilamentfaser bezieht sich insbesondere auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele mit AI2O3 in der Multifilamentfaser oder in der Matrix oder in beiden, wobei er- neut auf die jeweils angegebenen Gewichtsanteile Bezug genommen wird.
Besondere Vorteile bezüglich der Bruchfestigkeit ergeben sich weiterhin, wenn die Porosität der Matrix im fertigen Rovinggelege so eingestellt wird, dass sie zwischen 20 und 60 Vol.-% beträgt, insbesondere zwischen 20 und 45-%. Eine entsprechende Porosität kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah- rens erzielt werden, insbesondere wenn die Matrix AI2O3 im angegebenen Ge- wichtsbereich umfasst.
Besondere Vorteile bezüglich der Bruchfestigkeit eines erfindungsgemäßen Ro- vinggeleges ergeben sich insbesondere dann, wenn die Korngrößenverteilung des versinterten feinkörnigen Materials, bei dem es sich beispielsweise um ein Me- talloxid handeln kann, in der Matrix des Rovinggeleges monomodal oder bimodal ist. Als insbesondere vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Korngrößenver- teilung des feinkörnigen versinterten Materials im Rovinggelege zumindest ein Maximum aufweist, welches mit einer ersten Korngrößenfraktion korreliert ist und welches vorteilhaft zwischen 100 und 500 Nanometern liegt.
Als weiterhin vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Korngrößenverteilung des feinkörnigen versinterten Materials im Rovinggelege weiterhin ein mit einer zwei- ten Korngrößenfraktion korreliertes zweites Maximum aufweist, welches vorteil- haft oberhalb von 5000 Nanometern und besonders bevorzugt oberhalb von 10000 Nanometern liegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung machen die erste und die zweite Korngrößenfraktion unabhängig voneinander jeweils mindestens 10 Vol.% im Ke- ramikanteil des gebrauchsfertigen Rovinggeleges aus. In dieser Ausgestaltung hat es sich weiterhin als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn im gebrauchsferti- gen Rovinggelege die Korngrößenfraktion mit der größeren mittleren Korngröße gewichtet nach Volumenanteilen einen geringeren Volumenanteil ausmacht als die Korngrößenfraktion mit der kleineren mittleren Korngröße. Es ergeben sich Bauteile mit einer besonders hohen Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbruch.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, dass die erfindungsgemäßen Rovinggelege besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften aufweisen, wenn der Faser- gehalt im Rovinggelege in einem Bereich von 15 bis 45 Vol.%, insbesondere von 20 bis 30 Vol.% und besonders bevorzugt bei etwa 25 Vol.% liegt. Dies gilt ins- besondere dann, wenn Fasern mit einem hohen Gehalt an AI2O3 zum Einsatz kommen, und ganz besonders dann, wenn der A Os-Anteil in den Fasern über 99 Gew-% liegt.
Es hat sich herausgestellt, dass die mittels des erfindungsgemäßen ersten Ver- fahrens hergestellten bandförmigen Rovinggelege besonders vorteilhafte mecha- nische Eigenschaften aufweisen, wenn der Fasergehalt im gebrauchsfertigen Ro- vinggelege bzw. in einem damit ausgebildeten Grünling in einem Bereich von 15 bis 45 Vol.%, insbesondere von 20 bis 30 Vol.% und besonders bevorzugt bei etwa 25 Vol.% liegt.
Eine besonders bevorzugte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn das auf einen Wickelkörper aufgewickelte und mit einem feuch- ten Schlicker infiltrierte Rovinggelege so weit abgekühlt wird, dass der Schlicker temperaturbedingt erstarrt, insbesondere indem das im Schlicker enthaltene Was- ser friert. In diesem erstarrten Zustand ist die Beweglichkeit der Fasern bzw. der Rovings insgesamt im Gelege deutlich reduziert, so dass sich beim Zerschneiden des bandförmigen Geleges eine deutlich erhöhte Präzision bzw. deutlich geringere Toleranzen durch verringertes Ausreißen bzw. Ausweichen des Geleges unter dem Einfluss eines Schneidwerkzeugs erzielen lassen.
In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung dieses Verfahrens wird der Wickelkör- per mitsamt dem darauf aufgewickelten feuchten Gelege in eine Kältekammer ver- bracht, so dass die Temperatur des Wickelkörpers soweit abnehmen kann, dass das Gelege erstarrt. Bei wasserbasierten Schlickern ist hierzu in der Regel eine Abkühlung auf 0 °C oder geringfügig tiefere Temperaturen ausreichend.
In einer alternativen Verfahrensführung wird das Gelege auf einen Wickelkörper aufgewickelt, dessen Temperatur so niedrig ist, dass das auf diesen aufgewickelte Gelege temperaturbedingt erstarrt.
Hierzu kann beispielsweise ein entnehmbarer Wickelkörper Verwendung finden, der vor der Herstellung des Geleges auf eine für den geschilderten Zweck ausrei- chend niedrige Temperatur gebracht wurde, z.B. durch Lagerung in einer Kälte- kammer.
Bevorzugt wird bei dieser Verfahrensführung ein Wickelkörper verwendet, dessen Wärmekapazität so bemessen ist, dass seine Temperatur während der Herstellung des Geleges bei den vorgesehenen Verarbeitungstemperaturen bevorzugt auch unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des aufgewickelten feuchten Geleges stets unterhalb der Erstarrungstemperatur des Schlickers verbleibt.
In einer alternativen Verfahrensführung wird ein aktiv gekühlter Wickelkörper ver- wendet, dessen Temperatur z.B. mithilfe eines Kühl- oder Kältemittels, welches ein am Wickelkörper angeordnetes Kühlmittelrohr, ggf. auch Verdampferrohr, durchströmt. Alternativ kann auch eine thermoelektrische Kühlung z.B. mittels Pel- tierelementen zum Einsatz kommen.
Auch bei dieser Verfahrensführung wird die Temperatur des Wickelkörpers bevor- zugt so geregelt, dass sie während der Herstellung des Geleges bei den vorgese- henen Verarbeitungstemperaturen bevorzugt auch unter Berücksichtigung der Wärmekapazität des aufgewickelten feuchten Geleges stets unterhalb der Erstar- rungstemperatur des Schlickers verbleibt.
Die vorstehend beschriebene vorteilhafte Verfahrensführung sowie eine Wickelvor- richtung mit einem Wickelkörper mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen stellen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dar. Es wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der angegebenen Weiterbildun- gen und vorteilhaften Ausgestaltungen sowie der angefügten Patentansprüche 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 hin- weg.
Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Grünlings bzw. Behäl- ters, von deren Verwendung sowie der erfindungsgemäßen Herstellungsverfah- ren ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zur Herstellung eines erfindungsge- mäßen Rovinggeleges geeigneten Vorrichtung,
Fig. 2: einen abgelängten Abschnitt eines erfindungsgemäßen Rovinggeleges, d.h. eines Rovingsegements,
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines T- Profils basierend auf einem erfindungsgemäßen Rovinggelege,
Fig. 4: eine perspektivische Darstellung eines L-Profils basierend auf einem er- findungsgemäßen Rovinggelege,
Fig. 5: eine perspektivische Darstellung eines U-Profils basierend auf einem er- findungsgemäßen Rovinggelege,
Fig. 6: einen Schnitt durch ein H-Profil basierend auf zwei zusammengefügten erfindungsgemäßen Rovinggelegen,
Fig. 7a : einen einstückig ausgebildeten Chargierrost in Aufsicht, gefügt aus einem erfindungsgemäßen Rovinggelege,
Fig. 7b: den Chargierrost aus Fig. 7a in seitlicher Ansicht, Fig. 8: ein helixförmiges Bauteil basierend auf einem erfindungsgemäßen band- förmigen Rovinggelege,
Fig. 9a : eine Aufsicht auf einen einstückig ausgebildeten Roboterarm, gefügt aus einem erfindungsgemäßen Rovinggelege, und
Fig. 9b: den Roboterarm aus Fig. 9a in seitlicher Ansicht.
Zur beispielhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Schli- cker zubereitet auf Basis eines hochreinen feinstgemahlenen Aluminiumoxids, wobei der Anteil von AI2O3 bezogen auf das Gesamtgewicht des feinstgemahle- nen Aluminiumoxids etwa 99,8 Gew.-% beträgt. Der Anteil von a- AI2O3 beträgt dabei mindestens 95%. Die Korngrößenverteilung des feinstgemahlenen Alumini- umoxids ist dabei monomodal und lässt sich charakterisieren durch dlO = 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 wird zubereitet aus dem vorgenannten feinstgemahlenen Alumini- umoxid, Wasser und einem Verflüssiger auf Carbonsäurebasis, wobei der Ge- wichtsanteil 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.
Der Aufbau einer Vorrichtung, die zur Herstellung eines erfindungsgemäßen bandförmigen Rovinggeleges 20 geeignet ist, ist in Fig. 1 schematisch gezeigt. In einer nicht näher dargestellten Rovingpräparationsstation 10 wird eine Mehrzahl von endlosen Multifilamentfasern des Typs Nextel™ 610 (Fasergewicht 3.000 den, 10.000 den oder 20.000 den) mittels einer Abrollvorrichtung von Vorrats- spulen abgespult und zu einem Roving zusammengeführt. Der so erhaltene Roving wird einem Schlickerbad zugeführt, welchem zugleich der vorstehend beschriebene Schlicker in ausreichender Menge zugeführt wird. Indem der Roving durch das Schlickerbad hindurchgeführt wird, wird dieser infil- triert, dergestalt dass sich eine intensive Durchdringung des Rovings mit dem Schlicker ergibt, die sich insbesondere auch auf den Bereich zwischen den Fasern des aus einem Bündel von Multifilamentfasern bestehenden Rovings erstreckt. Zusätzliche Umlenkungen des Rovings im Schlickerbad über Zylinder mit glatter Oberfläche garantieren eine vollständige Infiltration.
Nachfolgend wird der infiltrierte Roving durch eine Mehrzahl von hintereinander folgenden mechanischen Blenden geführt. Der minimale Querschnitt der verwen- deten Blenden wird dabei so gewählt, dass er größer ist als der Mindestquer- schnitt des Rovings der erhalten wird bei optimaler Raumerfüllung der Multifila- mentfasern.
Der Aufbau der hier dargestellten Rovingpräparationsstation 10 entspricht grund- sätzlich dem der aus der DE 10 2014 115 414 Al vorbekannten Vorrichtung zur Herstellung eines mit einem Schlicker imprägnierten Rovings.
Nach Durchlaufen der Mehrzahl mechanischer Blenden verlässt der infiltrierte Ro- ving die Rovingpräparationsstation 10 und wird über eine Mehrzahl von Umlenk- rollen 12 einer CNC-gesteuerten Wickel- und Schneidstation 14 zugeführt.
In dieser wird der infiltrierte Roving automatisiert auf einen zylindrischen Wickel- körper 16 aufgewickelt. Durch Steuerung der Drehbewegung, des Wickelwinkels zwischen der Drehachse des Wickelkörpers 16 und der Bewegungsrichtung des zugeführten Rovings sowie einer ggf. Translationsbewegung des Wickelkörpers 16 in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rovings können mittels der CNC-gesteuerten Wickelmaschine 14 auch komplexe Wickelmuster auf der Mantelfläche des Wickelkörpers 16 erzeugt werden.
Der zylindrische Wickelkörper weist einen Durchmesser von 45 cm auf, seine Länge beträgt 120 cm. Zum Aufwickeln des infiltrierten Rovings wird der Wickel- körper um seine Symmetrieachse gedreht. Der infiltrierte Roving wird so auf die Mantelfläche des Wickel körpers 16 aufge- spult, dass sich ein mehrlagiges rohrförmiges Gelege ergibt. In jeder einzelnen Lage liegen die Windungen des Rovings dicht-an-dicht.
In einem ersten Ausführungsbeispiel beträgt der Wickelwinkel in der ersten, drit- ten, fünften etc. Lage beträgt etwa + 20°. Der Wickelwinkel in der zweiten, vier- ten, sechsten, etc. Lage beträgt etwa - 10°.
Insgesamt werden zehn Lagen auf den Wickelkörper 16 aufgespult, d.h. das rohrförmige Gelege ist 10-lagig.
Ist ein rohrförmiges Gelege mit ausreichender Stärke fertiggestellt, so wird die- ses von dem kontinuierlichen Roving abgetrennt. Nachfolgend wird das auf die Mantelfläche des zylindrischen Wickelkörpers 16 aufgespulte rohrförmige Gelege mittels eines auf der Mantelfläche des Wickelkörpers ablaufenden Schneidmes- sers 19 spiralig von der Mantelfläche abgetrennt. Während des Schneidvorgangs wird der Wickelkörper 16 um seine Symmetrieachse gedreht, während das Schneidmesser 19 mit einem konstanten Vorschub entlang der Drehachse des Wickelkörpers 16 linear verschoben wird.
Im ersten Ausführungsbeispiel wird der Vorschub bei gegebener Drehzahl des Wickelkörpers 16 so eingestellt, dass sich eine Ganghöhe von 10 cm ergibt. Da- bei wird das Schneidmesser 19 so ausgewichtet, dass die Klingenausrichtung pa- rallel zur Ablauflinie des Schneidmessers 19 auf der Mantelfläche des Wickelkör- pers 16 orientiert ist. Auf diese Weise wird mittels des Schneidmessers 19 konti- nuierlich ein bandförmiges Rovinggelege 30 mit einer Breite b von 10 cm vom Wickelkörper 16 abgetrennt. Die Stärke d des bandförmigen Rovinggeleges 30 beträgt bei einem 10-lagigen rohrförmigen Gelege typisch etwa 0,7 bis 1,2 cm. Die Abmessungen b und d sind in Fig. 2 exemplarisch anhand eines abgelängten Abschnitts eines bandförmigen Rovinggeleges 30 illustriert (vgl. Fig. 2).
Die Gesamtlänge des so erhaltenen bandförmigen Rovinggeleges 30 beträgt etwa 14 Meter, so dass das erhaltene bandförmige Rovinggelege 30 ohne weiteres als „endlos" im Sinne anzusehen ist. In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Vorschub des Schneidmessers 19 so eingestellt, dass die sich ergebende Schnittline um einen Schnittwinkel von + 15° gegen die Symmetrieachse des Wickelkörpers 16 geneigt ist. In diesem Aus- führungsbeispiel sind die in den verschiedenen Lagen eingebetteten Rovings symmetrisch gegen die Längsachse des erhaltenen bandförmigen Rovinggeleges 30 geneigt. Aus einem solchen Rovinggelege 30 hergestellte Bauteile weisen re- lativ zur Ebene des Rovinggeleges 30 besonders isotrope mechanische Eigen- schaften auf.
In beiden Fällen wird das erhaltene bandförmige Rovinggelege 30 weiterhin auf eine Bandrolle 45 aufgewickelt und anschließend konserviert, indem die Bandrolle 45 beispielsweise in einem Humidor (nicht dargestellt) bei einer Luftfeuchtigkeit von 100 % bis zu einem Transport oder einer Weiterverarbeitung gelagert wird.
In einer in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante wird das erhaltene bandför- mige Rovinggelege 30 mittels einer Schneidvorrichtung 50 in bandförmige Gele- gesegmente 32 geschnitten und einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
Im Rahmen einer Weiterverarbeitung kann beispielsweise aus zwei zugeschnitte- nen bandförmigen Gelegesegmenten 32 ein hochtemperaturstabiles Bauteil her- gestellt werden.
Hierzu werden die zwei bandförmigen Gelegesegmente 32 einer Verarbeitungssta- tion 60 zugeführt. Die Verarbeitungsstation weist hierbei eine Luftfeuchtigkeit von mindestens 70 % auf. Die Gelegesegmente 32 werden zunächst mittels einer ge- eigneten Vorrichtung (nicht dargestellt) in L-förmige Gelegesegmente 34 umge- formt und anschließend in noch feuchtem Zustand zu einem T-förmigen Bauteil 35 zusammengefügt.
Anschließend wird das hergestellte T-förmige Bauteil 35 einer Trocknungsstation 70 zugeführt und getrocknet, so dass ein mechanisch stabiler, sinterfähiger Grün- ling erhalten wird. Beim Durchlaufen der Trocknungsstation 70 kann das Bauteil 35 beispielsweise entlang einer definierten Strecke einer den Feuchtigkeitsgehalt verringernden Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden. Sodann wird der erhaltene sinterfähige Grünling einer Sintervorrichtung 80 zuge- führt. Bei dieser kann es sich beispielsweise um einen Kammerofen handeln, in dem der Grünling bei einer Temperatur von etwa 1.200 °C über etwa eine Stunde gesintert wird. Die Sintervorrichtung 80 besteht beispielsweise aus einem Ofen mit mehreren diskreten Temperaturzonen.
Das gesinterte Bauteil 36 bestehend aus einem oxidkeramischen Faserverbund- werkstoff kann ggf. einer Abkühlstation (nicht dargestellt) zugeführt werden, um die Abkühlung zu beschleunigen.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird ein noch feuchtes Gelege- segment 32 entlang seiner gesamten Länge mittig um 90° abgewinkelt, um einen L-förmigen Träger 34 auszubilden. Den in diese Form gebrachten Grünling lässt man soweit trocknen, dass er erstarrt und bewegt werden kann, ohne seine Form zu verlieren. Nachfolgend wird er in einer geeigneten Sintervorrichtung bei einer Temperatur von etwa 1.200 °C über etwa eine Stunde gesintert. Die Sintervor- richtung besteht beispielsweise aus einem Ofen mit mehreren diskreten Tempera- turzonen, durch den der Grünling abschnittsweise hindurchgeführt wird.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 wird ein noch feuchtes Gelege- segment 32 entlang seiner gesamten Länge zweifach um je 90° abgewinkelt, um einen U-förmigen Träger 35 auszubilden. Den in diese Form gebrachten Grünling lässt man wiederum so weit trocknen, dass er erstarrt und bewegt werden kann, ohne seine Form zu verlieren. Hierzu kann der in Form gebrachte Grünling bei- spielsweise auf einem Kern geeigneter Formgebung getrocknet werden. Nachfol- gend wird der Grünling wiederum in einer geeigneten Sintervorrichtung bei einer Temperatur von etwa 1.200 °C über etwa eine Stunde gesintert. Die Sintervor- richtung besteht beispielsweise aus einem Ofen mit mehreren diskreten Tempera- turzonen, durch den der Grünling abschnittsweise hindurchgeführt wird.
Einem analogen Sinterprozess wird bevorzugt auch der in Fig. 6 gezeigte H- oder Doppel-T-Träger 38 unterzogen, der aus zwei noch feuchten U-Trägern gemäß Fig. 5 gefügt wird. Ein derartiger Doppel-T-Träger 38 kann beispielsweise als Träger für ein Katalysatorbett im Inneren eines chemischen Reaktors verwendet werden und als solcher ohne weiteres Längen von einigen Metern ohne weitere Abstützung überspannen. Anders als ein vergleichbarer Träger aus metallischen Werkstoffen zeigt der hier gezeigte kera ikfaserverstärkte Doppel-T-Träger aus einem kera- mischen Kompositwerkstoff auch bei Arbeitstemperaturen von dauerhaft oberhalb 700°C praktisch keine Erweichung.
Fig. 7a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein aus einem bandförmigen Ro- vinggelege erstelltes Bauteil aus einer keramikfaserverstärkten Keramik in Auf- sicht, nämlich einen einstückig ausgebildeten Chargierrost 40. Dieser Chargierrost 40 ist gefügt aus einem einzigen erfindungsgemäßen Rovinggelege und bildet eine geschlossene Schleife aus. Wie aus Fig. 7b, die den Chargierrost 40 aus Fig. 7a in seitlicher Ansicht zeigt, ersichtlich ist, steht das zum Chargierrost 40 geformte bandförmige Rovinggelege senkrecht zur vom Chargierrost 40 aufgespannten Ebene. Ein solcher Chargierrost 40 kann z.B. im Härtereiwesen bei der Härtung von Zahnrädern, Kupplungsfedern, metallische Katalysator-Träger Verwendung finden.
Fig. 8 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes Rovinggelege, welches zu einem helixförmigen Bauteil 41 umgeformt und nachfolgend getrocknet und gesintert wurde. Auch hier kann der Sinterprozess beispielsweise abschnitts- weise in einem Kammerofen erfolgen. Ein derartiges Bauteil kann aufgrund seiner Korrosions- und Hitzebeständigkeit beispielsweise in der chemischen Produktion verwendet werden. Beispielsweise kann es in ein fluiddurchströmtes Rohr einge- fügt sein, um im Rohr eine nicht-laminare Strömung zu erzeugen, die bei der Ab- führung von Wärme aus dem Fluid auf die Rohrwandung vorteilhaft sein kann.
Fig. 9a zeigt schließlich als letztes Ausführungsbeispiels eine Aufsicht auf einen einstückig ausgebildeten Roboterarm 42, der einstückig aus einem erfindungsge- mäßen Rovinggelege gefügt ist und eine Gesamtlänge von bis zu mehreren Metern aufweisen kann. Der Roboterarm 42 bildet an seinem einen Ende eine erste me chanische Schnittstelle 43 beispielsweise zur Befestigung an einem Produktionsro- boter und an seinem anderen Ende eine zweite mechanische Schnittstelle 44 bei- spielsweise zur Befestigung einer Greifeinrichtung. Fig. 9b zeigt den Roboterarm 42 aus Fig. 9a in seitlicher Ansicht. Wie bei dem Chargierrost gemäß Figs. 7a und b. ist auch der Roboterarm gemäß Figs. 9a und b als geschlossene Schleife aus- gebildet, wobei das bandförmige Rovinggelege senkrecht zur vom Roboterarm 42 aufgespannten Ebene orientiert ist. Ein derartiger Roboterarm 42 kann beispielsweise im Härtereiwesen Verwendung finden, z.B. als Teil eines Beschickungsroboters eines Glühofens, der diesen mit zu härtenden Teilen wie Zahnrädern beschickt und diese wieder aus dem Ofen ent- nimmt. Anders als ein Roboterarm aus metallischen Werkstoffen zeigt der Robo- terarm aus einer keramikfaserverstärkten Keramik auch bei Arbeitstemperaturen von dauerhaft oberhalb 700°C praktisch keine Erweichung und erlaubt somit die Einhaltung einer sehr hohen Positioniergenauigkeit auch über viele Stunden. Auf- wendige Systeme für eine Lageerfassung der am außenseitigen Ende des Roboter- arms befestigten Greifeinrichtung beispielsweise auf Basis von Bilderfassung kön- nen damit entfallen.
Alle gezeigten Ausführungsbeispiele basieren auf einer oxidkeramischen Matrix, die mit oxidkeramischen Fasern verstärkt ist. Es ist aber auch möglich, auf die im allgemeinen Teil offenbarten Materialien für die Matrix und die Faserarmierung zu- rückzugreifen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichen
Rovingprärarationsstation
Umlenkrollen
Wickel- und Schneidstation
Wickelkörper
Zuführelement
Schneidmesser
Rovinggelege
infiltrierter Roving
Drehachse
bandförmiges Rovinggelege
bandförmiges Gelegesegment
T-förmiges Bauteil
L-förmiges Bauteil
U-förmiges Bauteil
H(Doppel-T)-förmiges Bauteil
Chargierrost
helixförmiges Bauteil
Tragarm für Roboter
Montageschnittstelle zu Greifer
Montageschnittstelle zu Roboter
Bandrolle
Schneid Vorrichtung
Verarbeitungsstation
Trocknungsstation
Sintervorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines endlosen bandförmigen Rovinggeleges für die Herstellung eines hochtemperaturstabilen Bauteils aus einem kerami- schen Faserverbundwerkstoff, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen eines Rovings umfassend einen mit einem feuchten Schli- cker infiltrierten Multifilamentfaserbündel, wobei der Schlicker im tro- ckenen Zustand sinterfähig ist,
b) Spiralförmiges Aufwickeln des Rovings auf einen Wickelkörper, so dass ein mehrlagiges rohrförmiges Gelege erhalten wird,
c) Spiralförmiges Abtrennen eines bandförmigen Rovinggeleges von dem Gelege.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spiralför- mige Abtrennen dergestalt erfolgt, dass die Länge L des abgetrennten bandförmigen Rovinggeleges zumindest das 20-fache der Breite L des ab- getrennten bandförmigen Rovinggeleges beträgt, bevorzugt zumindest das 35-fache und besonders bevorzugt zumindest das 50-fache.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das spiralförmige Aufwickeln des Ro- vings in einem Wickelwinkel ß* erfolgt, wobei für den Wickelwinkel ß* gilt:
ß* = 90 - ß
mit der Maßgabe, dass ß einen Wert im Bereich von 5 - 15°, mehr bevor- zugt im Bereich von 8 - 12° aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das spiralförmige Abtrennen des band- förmigen Rovinggeleges in einem Schnittwinkel a* erfolgt, wobei für den Schnittwinkel a* gilt:
a* = 90 - (arctan * (b/2rrr))
wobei b der Ganghöhe und r dem Radius der Trommel entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das rohrför- mige Gelege mindestens 2 gewickelte Lagen des Rovings umfasst, bevor- zugt mindestens 3 gewickelte Lagen und besonders bevorzugt mindestens 4 gewickelte Lagen.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wickelwinkel ß* aufeinanderfolgen- der Lagen voneinander verschieden sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Wickel- winkel ß* aufeinanderfolgender Lagen entgegengesetzte Vorzeichen auf- weisen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wickel- körper entlang seiner Drehachse eine Länge L aufweist und die Breite B des abgetrennten bandförmigen Rovinggeleges maximal L/2, bevorzugt maximal L/3 und besonders bevorzugt L/4 oder weniger beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass das abgetrennte bandförmige Rovinggelege:
a. zu bandförmigen Gelegesegmenten vereinzelt wird, und/oder b. zu einer Bandrolle aufgerollt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vereinzel- ten Gelegesegmente oder die Bandrolle in einem luftdichten Behältnis ver- packt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vereinzel- ten Gelegesegmente oder die Bandrolle in einem Lagerraum oder -behält- nis mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit angeordnet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kontrol- lierte Luftfeuchtigkeit 95% oder höher beträgt.
13. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker eine oder mehrere der folgenden Komponenten auf- weist: AI203, Si02, Mullit, SiC.
14. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im Multifilamentfaserbündel eine oder mehrere der folgen- den Komponenten aufweisen : AI203, Si02, Mullit, Kohlenstoff, SiC.
15. Verfahren zur Herstellung eines Grünlings für ein hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, die folgenden Ver- fahrensschritte aufweisend :
a) Bereitstellen mindestens eines bandförmigen Rovinggeleges oder Gele- gesegments mittels eines Verfahrens gemäß zumindest einem der An- sprüche 1 bis 14, und
b) Umformen und/oder Fügen des mindestens einen bandförmigen Ro- vinggeleges oder Gelegesegments zu einem Grünling für ein hochtem- peraturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Umfor- men oder Fügen in einer Umgebung mit einer Luftfeuchtigkeit von mindes- tens 70 % erfolgt.
17. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass das bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment zu einem Grünling umgeformt wird, der zumindest eine Knicklinie aufweist, die parallel oder quer zu seiner Erstreckungsrichtung orientiert ist.
18. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17, dass ein oder mehrere bandförmige Rovinggelege oder Gelegesegment/e dergestalt zu einem Grünling umgeformt und ggf. gefügt wird/werden, dass der Grün- ling eine Ebene aufspannt.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling eine bevorzugt geschlossene Schleife ausbildet.
20. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite W des Rovinggeleges oder Gelegesegments in der vom Grünling ausgebildeten Struktur quer zu der vom Grünling aufgespannten Ebene im Wesentlichen konstant ist.
21. Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die bandförmige/n Rovinggelege oder Gelegesegment/e senkrecht zu der vom Grünling aufgespannten Ebene orientiert ist/sind.
22. Verfahren gemäß zumindest einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch ge- kennzeichnet, dass der erhaltene Grünling getrocknet wird, so dass er ge- sintert werden kann.
23. Verfahren zur Herstellung eines hochtemperaturstabilen Bauteils aus ei- nem keramischen Faserverbundwerkstoff, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend :
a. Herstellen eines sinterfähigen Grünlings nach einem Verfahren ge- mäß zumindest einem der Ansprüche 15 bis 21 sowie Anspruch 22, und
b. Sintern des Grünlings.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Sintern bei einer Temperatur von 1000 - 1450 °C erfolgt.
25. Grünling für ein hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, aufweisend ein bandförmiges Rovinggelege bzw. Gelegesegment, welches mehrere übereinander geschichtete Lagen auf- weist, die in der Ebene des Rovinggeleges bzw. des Gelegesegments ori- entiert sind und jeweils eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten, mit einem feuchten Schlicker infiltrierte Multifilamentfaserbündel umfas- sen, wobei die Multifilamentfaserbündel der aneinander angrenzenden ein- zelnen Lagen einem Winkel g mit g > 10° miteinander einschließen und der Schlicker im trockenen Zustand sinterfähig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge L des bandförmigen Rovinggeleges bzw. Gelegesegments zu- mindest das 20-fache der Breite L des bandförmigen Rovinggeleges bzw. Gelegesegments beträgt, bevorzugt zumindest das 35-fache und beson- ders bevorzugt zumindest das 50-fache.
26. Grünling gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweist: AI203, Si02, Mullit, SiC.
27. Grünling gemäß Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im Multifilamentfaserbündel eine oder mehrere der folgenden Kom- ponenten aufweisen : AI203, Si02, Mullit, Kohlenstoff, SiC.
28. Grünling gemäß zumindest einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Grünling zumindest eine Knicklinie aufweist, die parallel oder quer zu seiner Erstreckungsrichtung orientiert ist.
29. Grünling gemäß zumindest einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Grünling eine Ebene aufspannt.
30. Grünling gemäß zumindest einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Grünling eine bevorzugt geschlossene Schleife aus- bildet.
31. Grünling gemäß zumindest einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Grünling aus mehreren separat ausgebildeten bandförmigen Rovinggelegen oder Gelegesegmenten gefügt ist.
32. Grünling gemäß Anspruch 29 und ggf. Anspruch 31, dadurch gekennzeich- net, dass Weite W des oder der Rovinggeleges/e oder Gelegesegments/e in der vom Grünling ausgebildeten Struktur quer zu der vom Grünling auf- gespannten Ebene im Wesentlichen konstant ist.
33. Grünling gemäß Anspruch 29 und ggf. Anspruch 31, dadurch gekennzeich- net, dass das bzw. die bandförmige/n Rovinggelege oder Gelegesegment/e senkrecht zu der vom Grünling aufgespannten Ebene orientiert ist/sind.
34. Hochtemperaturstabiles Bauteil aus einem keramischen Faserverbund- werkstoff, aufweisend einen gesinterten Grünling gemäß zumindest einem der Ansprüche 25 bis 33.
35. Bauteil nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein L- Träger, ein T-Träger oder ein Doppel-T-Träger ist.
36. Bauteil nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Glühkorb, ein Tragarm oder ein helixförmiges Band ist.
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