DE69126453T2

DE69126453T2 - Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffaser-verstärkten keramischen Matrix-Verbundwerkstoffs

Info

Publication number: DE69126453T2
Application number: DE69126453T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Cavalier; Jean-Luc Laquet; Jean-Philippe Rocher
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1991-02-06
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2011-02-07
Also published as: CA2035685C; US5476685A; JP3167738B2; DE69126453D1; JPH0769748A; EP0441700B1; CA2035685A1; EP0441700A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbundmaterialien mit einer durch eine keramische Matrix verdichteten Verstärkung auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern.
Die Kohlenstoff-Fasern werden verwendet, um Verstärkungsgefüge für die Herstellung von Verbundmaterialien, insbesondere die bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterialien mit keramischer Matrix (CMC), auszubilden. Diese letzteren zeigen Eigenschaften, die sie befähigen, bei erhöhten Temperaturen beträchtliche mechanische Beanspruchungen auszuhalten. Sie weisen eine keramische Matrix auf, die im Inneren des Porenraums der fasrigen Verstärkung abgeschieden ist, beispielsweise durch chemische Infiltration in der Dampfphase.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Verfahren bereitzustellen, das es erlaubt, die Eigenschaften des erhaltenen Verbundmaterials wesentlich zu verbessern, insbesondere um die Zugfestigkeit und die Dauerdehngrenze zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß das die Verstärkung auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern ausbildende Material vor Verdichtung durch die Matrix einer thermische Behandlung in nicht oxidierender Umgebung bei einer Temperatur oberhalb von 1300ºC und unterhalb von 2200ºC unterzogen wird.
Wie aus den später angegebenen Versuchsergebnissen hervorgehen wird, erlaubt eine derartige thermische Behandlung, ein Verbundmaterial zu erhalten, das ein verbessertes mechanisches Verhalten besitzt, insbesondere eine bessere Zugfestigkeit und eine bessere Dauerdehngrenze.
Verstärkung auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern und mit einer keramischen Matrix.
Die Herstellung dieser Verbundmaterialien ist gut bekannt. Eine fasrige Verstärkung aus Kohlenstoff, die eine Vorform eines herzustellenden Teils ausbildet, wird hergestellt durch Aufwickeln von Fasern oder Fäden, durch Stapelung von eindimensionalen (Vliese aus Fasern oder Seilen) oder zweidimensionalen (Gewebe oder Filze) Schichten, die möglicherweise untereinander durch Nadelung verbunden sind, oder durch dreidimensionales Weben von Fasern oder Fäden. Die fasrige Verstärkung wird durch das Material der Matrix verdichtet, wobei sie gegebenenfalls durch eine Werkzeugvorrichtung in Form gehalten wird. Diese Verdichtung kann durch Flüssigimprägnierung mittels eines Vorläufers der Matrix, gefolgt von thermischer Behandlung, die auf den Fasern der Verstärkung, im Inneren derselben, eine Abscheidung aus dem Material der Matrix zurückläßt, durchgeführt werden. Im allgemeinen sind mehrere Imprägnierungszyklen notwendig, um den gewünschten Verdichtungsgrad zu erhalten. Die Verdichtung kann gleichermaßen durch chemische Infiltration in der Dampfphase im Inneren eines Infiltrationsofens durchgeführt werden.
Es wurden vielfältige Verfahren vorgeschlagen, um das Verhalten solcher Verbundmaterialien, besonders ihr mechanisches Verhalten und ihre Oxidationsbeständigkeit, zu verbessern. Insbesondere wird eine fühlbare Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erhalten, indem man zwischen den Fasern des Gefüges der Verstärkung und der keramischen Matrix eine dünne anhaftende Zwischenschicht mit lamellarer Struktur, beispielsweise eine Schicht aus laminarem Pyrokohlenstoff oder aus Bornitrid, abscheidet. Dieses Verfahren ist in der Schrift EP-A-0 172 082 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung hat auch noch zum Ziel, die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials zu verbessern durch Ausführen einer thermischen Behandlung in nicht oxidierender Umgebung vor dem Schritt der Verdichtung durch die keramische Matrix und bei einer Temperatur zwischen 1300ºC und 2200ºC, um dergestalt auf die Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix einzuwirken, daß die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die Zugfestigkeit des Verbundmaterials verbessert werden.
Die thermische Behandlung der Verstärkung auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern wird vor oder nach der Herstellung der fasrigen Vorform der Verstärkung, aber, in jedem Fall, vor der tatsächlichen Abscheidung des die keramische Matrix bildenden Materials durchgeführt. Sie kann vor oder nach der Abscheidung eines eine Zwischenschicht, die auf den Kohlenstoff-Fasern abgeschieden ist, bildenden Materials, das als eine Zwischenphase zwischen diesen und der keramischen Matrix dient, durchgeführt werden.
Die thermische Behandlung wird bei einer Temperatur oberhalb 1300ºC durchgeführt. Was die maximale Temperatur betrifft, wurde sie gleich 2200ºC gewählt, um die Graphitierung der Fasern zu beschränken.
Selbstverständlich wird die thermische Behandlung in nicht oxidierender Umgebung durchgeführt, beispielsweise in Stickstoff-Atmosphäre oder im Vakuum, und ihre Dauer ist bevorzugt mindestens gleich 30 Minuten. Da diese Dauer jedoch von der Temperatur der Behandlung abhängt, kann sie unterhalb 30 Minuten gewählt werden, wenn die Temperatur der Behandlung erhöht ist.
In dem Fall, in dem die thermische Behandlung an der fasrigen Vorform vor Verdichtung durch chemische Infiltration in der Dampfphase ausgeführt wird, kann diese Behandlung vorteilhafterweise in dem Infutrationsofen, vor dem Einlassen des Gases oder des Gasgemisches, das das die Zwischenphase oder die Matrix bildende Material ergibt, durchgeführt werden.
In der Schrift EP-A-0 121 797 ist bereits vorgeschlagen worden, eine thermische Behandlung an einem Substrat aus Kohlenstoff-Fasern vor dessen Verdichtung durch eine Matrix durchzuführen. Die thermische Behandlung wird jedoch bei einer Temperatur durchgeführt, die, in den angegebenen Beispielen, höchstens 2300ºF (ungefähr 1250ºC) beträgt. Außerdem ist der Zweck der Behandlung, die thermische Stabilisierung des Substrats zu verwirklichen, und es ist keine Dauer der thermischen Behandlung angegeben, es sei denn, daß es eine Dauer ist, die zum thermischen Stabilisieren des Substrats ausreichend ist.
Außerdem ist es eine Eigenschaft der nach dem in der Schrift EP-A- 121 797 beschriebenen Verfahren erhaltenen Materialien, daß sich das Substrat aus Kohlenstoff-Fasern bezüglich der Matrix frei bewegen kann. Das Fehlen einer Bindung zwischen den Fasern und der Matrix kann gewiß zu einer erhöhten Festigkeit und einer erhöhten Stoßfestigkeit führen, indem es verhindert, daß sich in der Matrix ausbreitende Risse die Fasern angreifen und brechen. Jedoch bewirkt dieses Fehlen von Bindung, daß die Übertragung von Belastungen von der Matrix zu den Fasern gleichsam Null ist, daher die Unmöglichkeit, eine erhöhte Zugfestigkeit zu erzielen.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird die thermische Behandlung bei einer Temperatur zwischen 1300 und 2200ºC durchgeführt und hat die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des nach Verdichtung des Substrats erhaltenen Verbundmaterials zu Ziel.
Das Ziel, das die Erfindung erreichen will, ist nicht eine thermische Stabilisierung des Substrats oder eine dimensionale Stabilisierung der Fasern des Substrats. Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, wirkt die erfindungsgemäß ausgeführte thermische Behandlung auf die Verbindung Fasern - Matrix ein, und es wird in gleicher Weise eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials beobachtet, wenn die thermische Behandlung bei einem Substrat ausgeführt wird, das aus Kohlenstoff-Fasern mit hohem Modul, die bei ihrer Herstellung erhöhte Temperaturen erfahren haben und schon dimensional stabilisiert sind, besteht.
Es wurde auch in der Schrift GB-A-2 092 119 vorgeschlagen, eine thermische Behandlung bei Fasern aus Graphit, die in einem Material enthalten sind, auszuführen. Das Ziel ist jedoch, ein Material mit besonderen Schleifeigenschaften herzustellen, das aus Kristallen aus Diamant oder aus kubischem Bornitrid, aus Fasern aus Graphit, aus Siliciumcarbid und aus Silicium besteht. Das Material wird durch Infiltration von flüssigem Silicium aus einem die Kristalle, die Graphitfasern und Kohlenstoff (oder einen Vorläufer von Kohlenstoff) enthaltenden Gemisch erhalten. Die thermische Behandlung wird im Vakuum durchgeführt, um ein Ausgasen von auf den Fasern adsorbierten Verunreinigungen zu bewirken, um die Benetzbarkeit mit dem flüssigem Silicium zu steigern. Darüberhinaus sind die Graphit- Fasern kurze Fasern (oder "Whisker"), deren Anwesenheit im wesentlichen den Zweck hat, die Benetzbarkeit durch das Silicium zu begünstigen, und nicht die Bildung eines fasrigen Substrats mit einer Wirkung als Verstärkung, wie bei den Verbundmaterialien, die die vorliegende Erfindung zum Ziel hat.
Nun werden mehrere Beispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben werden.

Beispiel 1

Teile aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC (zweidimensionale Verstärkung aus Kohlenstoff und Matrix aus Siliciumcarbid) werden nach einem Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte aufweist:
- Bildung einer Vorform durch flache Stapelung von Schichten eines Gewebes aus Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind (Fasern mit dem Vorläufer Polyacrylnitril oder PAN),
- Halten der Vorform in einer Werkzeugvorrichtung,
- thermische Behandlung der Vorform,
- Bildung einer Zwischenbeschichtung aus laminarem Pyrokohlenstoff auf den Fasern durch chemische Infiltration in der Dampfphase,
- Verdichten der mit der Zwischenbeschichtung versehenen Vorform durch chemische Infiltration in der Gasphase von die Matrix ausbildendem Siliciumcarbid (SiC).
Mit der Ausnahme der thermischen Behandlung des Gewebes ist ein Verfahren dieser Art in dem Patent EP 172 082 beschrieben.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse von Messungen, die an Teilen A bis F, die, wie es nachfolgend beschrieben ist, unter Veränderung der Bedingungen der thermischen Behandlung erhalten wurden, ausgeführt wurden. Zum Vergleich wurden gleiche Messungen an einem Teil G ausgeführt, das auf die gleiche Weise, mit Ausnahme der thermischen Behandlung, erhalten wurde. Die gemessenen Werte sind: Die Dichte d des Verbundmaterials, die Zugfesligkeit R, die Bruchdehnung &epsi;r, der Elastizitätsmodul E und die Zwischenschichten- Scherfestigkeit 13. Tabelle 1
Die Teile A bis D wurden unter Verwendung von Geweben, die im Stadium der Vorform 30 Minuten lang bei Temperaturen von jeweils gleich 1400ºC, 1600ºC, 1800ºC und 2000ºC einer thermischen Behandlung im Vakuum (das heißt ein Druck von etwa 0,1 Torr oder 13,3 N/m²) unterzogen worden waren, erhalten.
Das Teil E wurde unter Verwendung einer Vorform, die 10 h lang einer thermischen Behandlung im Vakuum unterzogen worden war, erhalten, und das Teil F wurde unter Verwendung einer Vorform, die 30 Minuten lang einer thermischen Behandlung in Stickstoff (Atmosphärendruck) unterzogen worden war, erhalten.
Für alle Teile A bis F werden im Vergleich zu dem Teil G Steigerungen der Zugfestigkeit R (zwischen 29% und 40% variierend), des Elastizitätsmoduls E und der Zwischenphasen-Scherfestigkeit 13 beobachtet.
Eine Steigerung der Reißdehnung wird ebenfalls beobachtet, außer für das Teil D (Behandlung des Gewebes bei 2000ºC).
Der Vergleich der bei den Teilen B und E ausgeführten Messungen scheint anzuzeigen, daß eine thermische Behandlung von 10 h (anstelle von 30 min) ein Anwachsen des Moduls E (eine Erhöhung der Temperatur der Behandlung erzeugt die gleiche Wirkung) mit sich bringt, aber, was die Bruchfestigkeit und die Bruchdehnung betrifft, nichts maßgebendes herbeiführt.
Bei den Teilen wurden nach Zerreißen die morphologischen Betrachtungen am Rasterelektronenmikroskop und am Transmissionselektronenmikroskop ausgeführt. Bei den Materialien, deren Vorformen einer erfindungsgemäßen thermischen Behandlung unterzogen worden waren, wurde festgestellt, daß das Reißen an der Grenze zwischen den Fasern und der Zwischenbeschichtung aus Pyrokohlenstoff auftritt. Im Gegensatz dazu wurde für das Teil G festgestellt, daß das Reißen an der Grenze zwischen der Zwischenbeschichtung aus Pyrokohlenstoff und der Matrix aus Siliciumcarbid oder im Inneren der Zwischenbeschichtung auftritt.
Folglich verändert die erfindungsgemäß ausgeführte thermische Behandlung die Verbindung Faser - Matrix in einem Verbundmaterial des Typs C/SiC mit Zwischenbeschichtung aus Pyrokohlenstoff, und so werden die Eigenschaften des Verbundmaterials bei Zug deutlich gesteigert. Selbst wenn das Zerreißen an der Grenze Faser - Matrix auftritt, ist klar, daß die Faser deshalb nicht frei ist, sich bezuglich der Matrix zu bewegen, was im Widerspruch zu dem festgestellten Anwachsen der Zugfestigkeit wäre.
Bei den Teilen A und G wurden Wärmedehnungs-Versuche durchgeführt. Diese Messungen haben eine gleiche verbleibende Abmessungsveränderung klargemacht, was anzeigt, daß die an der Vorform des Teils A ausgeführte thermische Behandlung nicht die Wirkung der dimensionalen Stabilisierung der Fasern gehabt hat.

Beispiel 2

Zwei Teile H und I aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC werden wie im Beispiel 1 unter Verwendung eines Gewebes aus Kohlenstoff- Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind, erhalten. Das Gewebe wurde im Stadium der Vorform einer thermischen Behandlung im Vakuum unterzogen:
- 30 Minuten lang bei 1200ºC für das Teil H,
- 30 Minuten lang bei 800ºC für das Teil I.
Die Tabelle 2 zeigt das Ergebnis der Messungen von d, R, &epsi;R und E, die bei den Teilen H und I ausgeführt wurden. Tabelle 2
Der Vergleich der bei den Teilen II und I erhaltenen Ergebnisse mit den bei dem Teil G (Tabelle 1) erhaltenen zeigt, daß keinerlei wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erhalten wird.

Beispiel 3

Ein Teil J aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC wird wie im Beispiel 1 unter Verwendung eines Gewebes aus Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "HTA7" von der japanischen Gesellschaft Toho lieferbar sind, erhalten. Das Gewebe wurde im Stadium der Vorform 30 Minuten lang einer thermischen Behandlung bei 1600ºC im Vakuum unterzogen. Zum Vergleich wurde ein Teil K auf die gleiche Weise hergestellt, mit Ausnahme der thermischen Behandlung der Vorform.
Die Tabelle 3 zeigt das Ergebnis der Messungen von D, R, &epsi;R und E, die bei den Teilen J und K ausgeführt wurden. Tabelle 3
Man bemerke die sehr bedeutsame Verbesserung, die durch die thermische Behandlung veranlaßt wird.

Beispiel 4

Ein Teil L aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC wird wie in dem Beispiel 1 unter Verwendung eines Gewebes aus Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "M40" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind, erhalten. Die Vorform wurde 30 Minuten lang einer thermischen Behandlung im Vakuum bei 1400ºC unterzogen. Zum Vergleich wurde ein Teil M auf die gleiche Weise hergestellt, mit der Ausnahme der thermischen Behandlung der Vorform.
Die Tabelle 4 gibt die Ergebnisse der Messungen von R, &epsi;R und E, die bei den Teilen L und M ausgeführt wurden, an.
Man bemerke, daß eine thermische Behandlung bei 1400ºC selbt bei Geweben auf der Basis von Fasern "M40" (hochmodulige Fasern, die bei Temperaturen oberhalb von 2200ºC hergestellt wurden und folglich dimensional stabilisiert sind) eine deutliche Verbesserung auf der Ebene der Zugfestigkeit und der Verformung beim Zerreißen der 2D-C/SiC- Materialien mit laminarer Pyrokohlenstoff-Zwischenphase herbeiführt. Tabelle 4

Beispiel 5

Ein Teil N aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC wird wie im Beispiel 1 unter Verwendung eines Gewebes aus Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind, erhalten. Die Vorform wurde 30 Minuten lang einer thermischen Behandlung bei 1600 ºC bei 0,1 Torr (13,3 N/m²) unterzogen. Zum Vergleich wurde ein Teil P auf die gleiche Weise hergestellt mit der Ausnahme der thermischen Behandlung der Vorform.
Diese Materialien wurden charakterisiert hinsichtlich Kriechen unter Zugbeanspruchung bei 1500ºC. Für das Teil N wurde nach 2 h 30 unter einer Belastungskraft von 250 MPa eine Verformung von 0,23 % beobachtet. Für das Teil P wurde unter den gleichen Bedingungen eine Verformung von 0,45 % gemessen.
Die thermische Behandlung führt also zu einer merkbaren Verbesserung der Beständigkeit gegen plastisches Fließen.
In den vorangehenden Beispielen wird die thermische Behandlung bei einer aus einem Stapel von Gewebeschichten, die in einem Werkzeug gehalten werden, bestehenden Vorform durchgeführt.
Die thermische Behandlung könnte selbstverständlich bei dem Gewebe aus Kohlenstoff-Fasern vor Bildung der Vorform, sogar vor dem Zuschneiden der Schichten, zum Beispiel bei einer Gewebe-Rolle, durchgeführt werden, wie es das Beispiel 6 zeigt.

Beispiel 6

Ein Teil Q aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC wird hergestellt nach einem Verfahren, das die folgenden Schritte aufweist:
- 30 Minuten lange thermische Behandlung bei 1600ºC im Vakuum einer Rolle von Gewebe aus Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind,
- Bildung einer Vorform durch flache Stapelung von Schichten des so behandelten Gewebes,
- Halten der Vorform in einer Werkzeugvorrichtung,
- Ausbilden einer Zwischenbeschichtung aus laminarem Pyrokohlenstoff auf den Fasern durch chemische Infiltration in der Dampfphase,
- Verdichten der mit der Zwischenbeschichtung versehenen Vorform durch chemische Infiltration in der Gasphase von die Matrix bildendem Siliciumcarbid.
Die Messungen von R, &epsi;R und E, die bei dem Teil Q ausgeführt wurden, sind mit denjenigen identisch, die bei dem Teil B, dessen Herstellung in dem Beispiel 1 beschrieben ist, ausgeführt wurden. Zur Erinnerung, der einzige Unterschied zwischen den zur Herstellung der Teile Q und B verwendeten Verfahren ist, daß, für das Teil Q, die thermische Behandlung an der Gewebe-Rolle ausgeführt wird, und daß, für das Teil B, die thermische Behandlung an der von dem Stapel der Gewebeschichten gebildeten Vorform ausgeführt wird.

Beispiel 7

Ein Teil R aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/C-SiC wird nach einem Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte aufweist:
- Bildung einer Vorform durch flache Stapelung von Schichten eines Gewebes aus Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind,
- Halten der Vorform in einer Werkzeugvorrichtung,
- 30 Minuten lange thermische Behandlung der Vorform bei 1600ºC im Vakuum (das heißt unter einem Druck von ungefähr 0,1 Torr oder 13,3 N/m²),
- teilweise Verdichtung der Vorform durch chemische Infiltration in der Gasphase von Kohlenstoff. Der Volumengehalt der abgeschiedenen Kohlenstoff-Matrix ist 30%,
- Abschluß der Verdichtung der Vorform, die schon teilweise mit Kohlenstoff verdichtet ist, durch chemische Infiltration in der Gasphase von Siliciumcarbid. Der Volumengehalt der abgeschiedenen Siliciumcarbid-Matrix ist 10%. Nach dieser Verdichtung ist die Restporosität des Materials zwischen 10 und 15%.
Zum Vergleich wird ein Teil S auf die gleiche Weise hergestellt, mit der Ausnahme der thermischen Behandlung der Vorform.
Die Tabelle 5 zeigt das Ergebnis der Messungen von d, R, &epsi;R und E, die bei den Teilen R und S ausgeführt wurden. Tabelle 5
Man bemerke, daß die thermische Behandlung, im Gegensatz zu den Fällen der C/SiC-Materialien mit PyC-Zwischenphase, für die Materialien C/zweiphasige Matrix C-SiC keinerlei Verbesserung auf der Ebene der Zugfestigkeit und der Verformung beim Zerreißen herbeiführt. Das steht mit der Tatsache in Verbindung, daß die Übertragung von Belastungskraft zwischen Fasern und Matrix unterschiedlich ist, je nach dem, ob man eine C-Matrix oder eine SiC- Matrix hat.

Beispiel 8

Ein Teil T aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC wird nach einem Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte enthält:
- Bildung einer Vorform durch flache Stapelung von Schichten eines Gewebes aus Kohlenstoff, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind,
- Halten der Vorform in einer Werkzeugvorrichtung,
- Ausbilden einer Zwischenbeschichtung aus laminarem Pyrokohlenstoff auf den Fasern durch chemische Infiltration in der Dampfphase,
- thermische Behandlung der so beschichteten Vorform im Vakuum,
- Verdichten der Vorform durch chemische Infiltration in der Dampfphase von die Matrix ausbildendem Siliciumcarbid.
Ein Verfahren dieser Art mit der Ausnahme der Phase der thermischen Behandlung ist in der Schrift EP-A-0 172 082 beschrieben.
Die nachfolgende Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse von Messungen von d, R, &epsi;R und E, die an dem Teil T ausgeführt wurden, und verweist auf die mit dem Teil G des Beispiels 1, das nach einem Verfahren des Stands der Technik hergestellt wurde, erhaltenen Ergebnisse. Tabelle 6
Die thermische Behandlung der Vorform, die bereits die Abscheidung aus Zwischenphasen-Material (Pyrokohlenstoff) erhalten hat, führt also auch hier eine klare Steigerung der mechanischen Eigenschaften des fertiggestellten Verbundmaterials herbei.
In den vorangehenden Beispielen sind die keramische Matrix ebenso wie die Zwischenbeschichtung (Pyrokohlenstoff-Zwischenphase) durch chemische Infiltration in der Dampfphase hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch in dem Fall anwendbar, in dem die Matrix und/oder die Kohlenstoff-Zwischenphase mittels Flüssigkeit hergestellt werden.

Beispiel 9

Ein Teil U aus Verbundmaterial des Typs 2D-C/SiC wird nach einem Verfahren hergestellt, das die folgenden Schritte aufweist:
- Thermische Behandlung einer Rolle von Kohlenstoff-Fasern, die unter der Bezeichnung "T300" von der japanischen Gesellschaft Toray lieferbar sind,
- Imprägnieren des Gewebes mit einem Phenolharz,
- in Form Bringen des imprägnierten Gewebes in einer Werkzeugvorrichtung,
- Pyrolyse des Harzes unter Erzeugung eines die Kohlenstoff-Fasern umgebenden Harzkokses; so wird eine Zwischenbeschichtung oder Kohlenstoff-Zwischenphase erhalten, die einen Volumengehalt (Prozentsatz des scheinbaren Gesamtvolumens der Vorform, der von der Zwischenphase eingenommen wird) nahe demjenigen hat, der mit dem durch chemische Infiltration in der Dampfphase abgeschiedenen laminaren Pyrokohlenstoff in den vorangehenden Beispielen erhalten wurde,
- Verdichtung der mit der Harzkoks-Zwischenbeschichtung versehenen Vorform durch chemische Infiltration in der Dampfphase von die Matrix ausbildendem Siliciumcarbid.
Die nachfolgende Tabelle 7 zeigt die Ergebnisse der Messungen von R, &epsi;R und E, die bei dem Teil U erhalten wurden. Zum Vergleich wurden die gleichen Messungen bei einem Teil V ausgeführt, das auf die gleiche Weise wie das Teil U, mit der Ausnahme der thermischen Behandlung, erhalten wurde. Tabelle 7
Auch hier führt die thermische Behandlung eine klare Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials herbei. Diejenigen für das Teil U sind jedoch denjenigen des Teils A des Beispiels 1 unterlegen, wobei die Kohlenstoff-Zwischenbeschichtung, die mittels Flüssigkeit erhalten wurde, eine geringere Wirkung herbeiführt als die mittels Gas erhaltene.
Die vorangehenden Beispiele machen die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Verbundmaterialien mit keramischer Matrix, insbesondere auf der Ebene der Zugfestigkeiten bei Umgebungstemperatur und beim Warmfließen, die von der thermischen Behandlung der Verstärkung auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern herrührt, deutlich.
Die bei Verbundmaterialien mit keramischer Matrix erhaltenen Ergebnisse, die denjenigen, die ohne thermische Behandlung der Verstärkung erzielt wurden, deutlich überlegen sind, selbst wenn man hochmodulige Fasern (das heißt Fasern, die während ihrer Herstellung einer Behandlung bei hohen Temperaturen unterzogen worden sind) verwendet, zeigen, daß die Verbesserung nicht auf der Ebene der Fasern, sondern auf der Ebene der Verbindung Fasern - Matrix (oder Fasern - Zwischenphase) herbeigeführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines bei erhöhter Temperatur tragfähigen Verbundmaterials mit keramischer Matrix, aufweisend die Schritte, die bestehen aus dem Herstellen einer Vorform aus Kohlenstoff-Fasern, dem Unterziehen der Fasern der Vorform einer thermischen Behandlung und dem Verdichten der Vorform durch die keramische Matrix, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung vor dem Schritt der Verdichtung durch die keramische Matrix in nicht oxidierender Umgebung und bei einer Temperatur zwischen 1300ºC und 2200ºC durchgeführt wird, um dergestalt auf die Verbindung zwischen den Fasern und der Matrix einzuwirken, daß die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die Zugfestigkeit des Verbundmaterials verbessert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung nach der Herstellung der Vorform aus Kohlenstoff-Fasern ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Verdichtung durch die keramische Matrix im Inneren eines Ofens durch chemisches Eindringen in der Dampfphase durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung im Inneren des Ofens der Verdichtung vorausgehend durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung vor der Herstellung der Vorform an den Kohlenstoff-Fasern ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem aufweisend den Schritt, der besteht aus dem Bilden einer Zwischenbeschichtung auf den Kohlenstoff-Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung vor Bildung der Zwischenbeschichtung ausgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem aufweisend den Schritt, der besteht aus dem Bilden einer Zwischenbeschichtung auf den Kohlenstoff-Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung nach Bildung der Zwischenbeschichtung ausgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung im Vakuum ausgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung in Stickstoff-Atmosphäre ausgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Behandlung bei einer Temperatur von etwa 1400ºC bis 1800ºC ausgeführt wird.