碳纤维增强的碳化物-陶瓷复合部件制造技术

本发明专利技术涉及一种陶瓷部件，其包含包埋在陶瓷基质中的由至少两层单向不卷曲碳纤维织物构成的至少一个堆叠体，所述陶瓷基质含有碳化硅和元素硅，其特征在于所述至少一个堆叠体内的所有相邻层彼此直接邻接，所述至少一个堆叠体在与所述层的平面垂直的方向上具有1.5mm的最小厚度，并且所述陶瓷基质基本上渗透整个部件。

Carbon fiber reinforced carbide ceramic composite

The present invention relates to a ceramic component, comprising at least one stack of at least two layers of uncurled carbon fiber fabric embedded in a ceramic matrix, the ceramic matrix containing silicon carbide and element silicon, characterized by at least one of the adjacent layers of the at least one stacked body directly adjacent to each other. A stacking body has a minimum thickness of 1.5mm in the direction perpendicular to the plane of the layer, and the ceramic matrix basically penetrates the whole part.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳纤维增强的碳化物-陶瓷复合部件本专利技术涉及包含单向碳纤维层的陶瓷部件，所述层在所述部件中一层直接平放或堆叠在另一层之上并形成具有至少1.5mm的高度或厚度的层状堆叠体。本专利技术还涉及制造所述部件的方法以及所述部件作为用于在高温下处理货物的装载架(Chargiergestell)的用途。装载架是固化货物例如机器部件或汽车工业部件所需的，例如，在将货物支撑在装载架上并暴露于高温的情况下。这样的装载架的材料要求是：机械负载能力高(刚度和强度)，耐高温，和重量轻。依照这些标准的一种完美的材料是碳纤维增强碳。这样的装载架通常由单向碳纤维非纺织物制成，所述非纺织物例如以预浸料的形式，所述预浸料用树脂预先浸渍、彼此层叠、在提高的压力和温度下固化并然后经受热解，固化的树脂转化为碳。所述单向碳纤维非纺织物在这种情况下(并且也在本专利技术的背景内)由紧密平放的平行连续碳纤维的连续条构成。一旦已经层叠了多层预浸渍碳纤维非纺织物并且一旦树脂已经固化，就产生了碳纤维增强聚合物(CFRP)，所述固化树脂形成CFRP的基质。当CFRP通常在大约800℃热解时，所述聚合物基质崩解并且其中所含的挥发性组分逸出。留下碳纤维增强碳(CFRC)。然而，CFRC装载架的缺点在于它们对氧化敏感并且开放孔隙率高。因此这样的装载架必须在无氧的高温下处理。当用于工业固化炉中在保护性气体气氛或真空下固化装载材料(Chargiergut)例如传动齿轮时，通常就是这种情况。然而，待固化的装载材料通常首先被软加工，例如研磨传动齿轮的齿。然后必须从装载材料中除去残留物例如切削液或洗涤液，并将所述材料干燥。为此，在正常的大气条件下，通过气体火焰将整个装料加热到最高500℃，该过程烧掉了所述杂质。然后将装载材料送入实际的热处理系统中或送入固化炉中。这两种热处理过程中的装载材料优选装载在同一装载架上，因为更换装载架会显著增加加工成本，因在这两个过程之间装载物必须冷却到一定程度、转移然后再加热。然而，由于CFRC的所述氧化敏感性，在预氧化以及随后的热处理和固化阶段期间连续使用CFRC装载架是不利的。另外，当在热处理过程结束时冷却装载架和装载材料时，如有必要，将它们最后放入含有流体(例如油)的冷却槽中。与空气冷却相比，此时冷却速率可能更快，然而，冷却介质将渗透装载架材料的开放孔隙。所述介质在紧接的下一个固化周期中被再蒸发，因此对材料具有破坏作用。因此，本专利技术的目的是提供一种改进的部件，其可用作装载架并且更耐氧化并同时具有高机械负载能力(刚度和强度)、耐高温、重量轻以及开放孔隙率小。例如，碳化硅(SiC)-陶瓷部件作为耐氧化部件是已知的。它们通常可通过用液体使CFRC成型体硅化、即通过液体硅渗入CFRC来生产。在这种情况下，一些碳与元素硅反应而产生SiC。例如，EP1340733B1描述了SiC-陶瓷复合材料，其中增强纤维(特别是碳纤维)是单向取向的。在这种情况下，单向增强纤维是单个粗纱束(Roving-Bündel)的形式，彼此有一定距离。CFRP碳化形成CFRC体时形成的孔隙结构对于随后将所述成型体硅化并形成SiC基质至关重要，因为合适的孔隙结构是确保液体硅均匀且充分渗透所述CFRC体的唯一途径(参见EP1340733B1的第6段)。如果所述增强纤维的粗纱(Roving)是平行取向而不固定在平面内，则碳化粘合剂树脂导致在垂直于纤维取向的方向上不受阻碍地收缩，使得CFRC中的粗纱收缩成彼此靠得非常紧密并且达到以最小的开放孔隙百分率彼此紧挨。这使得液体硅化工艺更加困难，因为与用短纤维或织物增强的CFRC预成形品相比，所述材料内的孔隙体积和毛细管(微通道)分布被不利地改变。根据常规技术，因此至今尚不可能获得用单向纤维(“UD纤维”)增强的C/SiC材料的满意性质(参见EP1340733B1，第8段)。因此，在EP1340733B1中所述粗纱束之间的距离对于液体硅能够完全渗入或浸渍CFRC成型体而言是必需的。DE102007007410A1也描述了SiC-陶瓷复合材料，其中碳纤维是单向取向的。在这种情况下单向碳纤维非纺织物与上述CFRC装载架类似地加工。然而，由于在EP1340733B1中提到的困难，在单向碳纤维非纺织物之间提供了以涂层或纬纱系统(Querfadensystem)形式的特定间隔物，以便能够进行完全液体硅化所述组件的最后阶段。所述间隔物优选在热解期间完全挥发，从而提供在液体硅化过程期间所需的孔隙结构。然而，EP1340733B1和DE102007007410A1中的解决方案的不利之处在于，由于在这两种解决方案中提出的粗纱或非纺织物之间的距离，存在未被碳纤维增强的区域，其结果使得所述部件不得不相应地更厚，即更重。也为此原因，本专利技术的目的涉及提供一种改进的部件。在本专利技术的背景下，已经发现，第一次有可能在某些条件下生产包含单向碳纤维非纺织物的碳化物-陶瓷部件，并且其中所述纤维性非纺织物可以一个在另一个上直接堆叠而完全不用隔开，所述堆叠有可能具有实际上任何期望的厚度。无论密集的单向碳纤维，液体硅都可以完全渗入所述CFRC预成形品。因此，本专利技术的目的是通过提供一种陶瓷部件来实现的，所述陶瓷部件包含包埋在陶瓷基质中的由至少两层单向碳纤维非纺织物构成的至少一个堆叠体，所述陶瓷基质含有碳化硅和元素硅，其特征在于所述至少一个堆叠体内的所有相邻层彼此直接邻接，所述至少一个堆叠体在与所述层的平面垂直的方向上具有至少1.5mm的厚度，并且所述陶瓷基质基本上渗透整个部件。在本专利技术的背景下，用语“其中所述至少一个堆叠体内的所有相邻层彼此直接邻接”应理解为是指所述层没有被故意间隔开，如EP1340733B1和DE102007007410A1的方法中那样。然而，本专利技术涵盖了这样的事实，即在所述邻接层的层之间或纤维之间存在或可以提供基质膜，当预浸渍的纤维层一个直接层叠在另一个之上时，所述基质实际上是始终存在的。由于所述层一个紧密地平放在另一个之上，本专利技术的部件的特征在于强度增加。因此，所述部件对于特定的应用、例如作为装载架而言可以设计得更薄并由此总重量更轻。这使得更容易处理所述部件并减少了使用所述装载架的成本，因为由于所需的质量较小，它需要的加热能量较少。单向碳纤维非纺织物一个直接平放在另一个之上的堆叠体的厚度或高度没有上限。根据DE102007007410A1的碳纤维非纺织物层被间隔物分开，各具有仅约0.1mm的厚度(参见DE102007007410A1的附图)，与之相比，根据本专利技术的相应层或层状堆叠体的厚度为至少1.5mm。这是使用已知方法所达不到的。所述厚度优选为至少2.0mm，更优选为至少2.5mm。最优选地，根据本专利技术，所述部件内的层状堆叠体与整个部件本身一样厚，即，所述部件优选只由包埋在陶瓷基质中的单向碳纤维非纺织物层的堆叠体构成，所述层彼此直接邻接。各个单向碳纤维非纺织物层的厚度没有特别限制。层薄到只由一根单丝层构成是可能的，即，所述层的厚度实际上相当于一根碳纤维的直径，所述碳纤维的直径通常在6至9μm的范围内。当使用这样的单丝层时，根据本专利技术一个直接平放在另一层之上的层的数量使得所述层状堆叠体的高度为至少1.5mm。对于特别厚的层，例如比0.75mm更厚的层，所述部件实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.陶瓷部件，其包含包埋在陶瓷基质中的由至少两层单向碳纤维非纺织物构成的至少一个堆叠体，所述陶瓷基质含有碳化硅和元素硅，其特征在于所述至少一个堆叠体内的所有相邻层彼此直接邻接，所述至少一个堆叠体在与所述层的平面垂直的方向上具有至少1.5mm的厚度，并且所述陶瓷基质基本上渗透整个部件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.28 DE 102015221111.81.陶瓷部件，其包含包埋在陶瓷基质中的由至少两层单向碳纤维非纺织物构成的至少一个堆叠体，所述陶瓷基质含有碳化硅和元素硅，其特征在于所述至少一个堆叠体内的所有相邻层彼此直接邻接，所述至少一个堆叠体在与所述层的平面垂直的方向上具有至少1.5mm的厚度，并且所述陶瓷基质基本上渗透整个部件。2.权利要求1的陶瓷部件，其特征在于所述基质在整个部件中具有均匀的组成。3.权利要求1的陶瓷部件，其特征在于所述至少一个堆叠体内的连续层在它们的纤维的取向方面彼此不同。4.权利要求1的陶瓷部件，其特征在于所述部件的开放孔隙率不超过3.5％。5.权利要求1的陶瓷部件，其特征在于所述部件的纤维体积比在50-65％的范围内。6.权利要求1的陶瓷部件，其特征在于所述部件包含彼此整体粘结的至少两个部件，所述至少两个部件也各自形成为权利要求1的陶瓷部件。7.权利要求1的陶瓷部件，其特征在于所述部件的密度不超过2.0g/cm3。8.制造陶瓷部件的方法，所述方法包含以下步骤：a)将浸渍有聚合物或聚合物前体的至少两个单向碳纤维非纺织物放置成一个直接置于另一个之上，b)在增加的压力和升高的温度下将一个置于另一个之上的所述碳纤维非纺织物固结，并获得碳纤维增强聚合物，c)在60...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼弗雷德·哥林，托马斯·普茨，卡尔·英格斯特，安德烈亚斯·费尔滕，西蒙·迪特里希，
申请(专利权)人：西格里碳素欧洲公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE