DE68905032T2

DE68905032T2 - Herstellung von faserverstaerktem keramischem verbundwerkstoff.

Info

Publication number: DE68905032T2
Application number: DE8989311948T
Authority: DE
Inventors: James Derek Birchall; William John Clegg
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1988-12-08
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2009-11-18
Also published as: EP0372738A1; AU620177B2; NO894920L; JPH02196071A; GB8925783D0; ES2038830T3; CA2004628A1; NZ231481A; AU4580489A; ATE85967T1; DK617589D0; DD302010A9; ZA898879B; DE68905032D1; GB8828638D0; DK617589A; NO894920D0; US5053175A; EP0372738B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs und auf eine Vorläuferstruktur, aus welcher ein solcher faserverstärkter keramischer Verbundwerkstoff hergestellt werden kann.
Faserverstärkte keramische Verbundwerkstoffe, die eine Matrix aus einem gesinterten teilchenförmigen Material und in der Matrix verteilte gesinterte Fasern aus einem keramischen Material aufweisen, stellen eine vielversprechende Klasse von Materialien für die Verwendung bei solchen Anwendungen dar, wo eine hohe Festigkeit, eine hohe Steifheit, eine geringe thermische Expansion, eine hohe thermische Stabilität und insbesondere eine hohe Zähigkeit erwünscht ist. Es sind viele Verfahren zur Herstellung von solchen faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffen bekannt geworden. Jedoch leiden die bisher bekannten Verfahren unter Nachteilen.
Idealerweise wäre es von beträchtlichem Nutzen, wenn die herkömmlichen Verfahren, durch welche gesinterte keramische Strukturen hergestellt werden, leicht so modifiziert werden könnten, daß Fasern in die Strukturen einverleibt werden. Solche gesinterten keramischen Strukturen werden üblicherweise dadurch hergestellt, daß man eine homogene Zusammensetzung aus einem teilchenförmigen Material, einem flüssigen Verdünnungsmittel und einem in dem flüssigen Verdünnungsmittel gelösten oder dispergierten organischen Binder, z. B. einem organischen Polymer, herstellt, die Zusammensetzung in die gewünschte Form bringt, beispielsweise durch Pressen der Zusammensetzung in einer Form oder durch Extrusion oder Spritzguß der Zusammensetzung, die Zusammensetzung dann zur Entfernung des flüssigen Verdünnungsmittels und zum Ausbrennen des organischen Binders erhitzt und schließlich die Zusammensetzung auf eine höhere Temperatur bringt, um die Teilchen aus dem organischen Material zu versintern.
Es ist oft möglich, ein solches Herstellungsverfahren dadurch zu modifizieren, daß man Fasern aus einem gesinterten keramischen Material in die Zusammensetzung, aus welcher die keramische Struktur hergestellt wird, einbringt.
Jedoch leidet ein solches modifiziertes Herstellungsverfahren unter Nachteilen. Wenn beispielsweise eine homogene Zusammensetzung aus teilchenförmigem keramischen Material, flüssigem Verdünnungsmittel, organischen Bindern und Fasern aus einem gesinterten keramischen Material hergestellt wird, beispielsweise durch die Verwendung eines Schaufelmischers oder durch Kalandieren der Zusammensetzung unter hohen Scherbedingungen, dann können die Fasern mechanisch geschädigt werden. Auch wenn die Fasern während der Verarbeitung nicht mechanisch geschädigt werden, beispielsweise wenn eine Zusammensetzung dadurch hergestellt wird, daß Schichten aus Fasern und Schichten aus einer Matrixzusammensetzung gebildet werden, hat die Anwesenheit von Fasern in der Zusammensetzung immer noch einen abträglichen Einfluß auf die Verarbeitung der Zusammensetzung und auf die Eigenschaften der hergestellten keramischen Struktur. Wenn die Zusammensetzung durch Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur verarbeitet wird, dann besteht die Neigung, daß sich die Zusammensetzung kontrahiert, weil nämlich das flüssige Verdünnungsmittel entfernt wird, der organische Binder ausgebrannt wird und die Teilchen aus keramischem Material gesintert werden. Eine weitere Kontraktion der Zusammensetzung findet statt, wenn in den letzten Stufen des Verfahrens die Zusammensetzung aus der erhöhten Temperatur abgekühlt wird. Es besteht manchmal ein beträchtlicher Unterschied zwischen den thermischen Eigenschaften der Fasern und dem Rest der Zusammensetzung, wenn die Fasern bereits gesintert sind, weil sie sich dann während der Erhitzung der Zusammensetzung nicht kontrahieren. Außerdem widerstehen die Fasern der Zusammensetzung einer Kontraktion derselben. Das Gesamtergebnis besteht darin, daß sich in der aus der faserhaltigen Zusammensetzung gebildeten keramischen Matrix Risse bilden, die Dichte des keramischen Verbundwerkstoffs verglichen mit der maximalen theoretischen Dichte verhältnismäßig niedrig ist (die Dichte kann beispielsweise nur 75 % und kaum mehr als 85 % der maximalen theoretischen Dichte betragen) und die Fasern in der Zusammensetzung nicht mit der Matrix der Zusammensetzung verbunden sind, was zur Folge hat, daß die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs abträglich beeinflußt werden. Es ist zwar möglich, diese nachteiligen Effekte auf die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs in gewissem Ausmaß zu überwinden, wenn man die faserhaltige Zusammensetzung unter einem erhöhten Druck verarbeitet, aber dies ist nicht nur unbequem, sondern die Verwendung von Druck beschränkt auch die Kompliziertheit der Form des erhaltenen Verbundwerkstoffs. Aber auch dann kann der erhaltene Verbundwerkstoff nicht die mechanischen Eigenschaften, z. B. Zugeigenschaften und Zähigkeit oder Dichte,aufweisen, die eigentlich erwünscht wären.
Es wurden auch andere Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffen bekannt. Beispielsweise kann eine dreidimensionale Struktur, die aus Fasern aus einem keramischen Material gebildet ist, z. B. eine Struktur, die aus einer Matte oder einem Stapel aus einer Anzahl von Matten von Fasern aus keramischen Material gebildet ist, mit einer Zusammensetzung aus teilchenförmigem keramischen Material, flüssigem Verdünnungsmittel und organischem Binder imprägniert werden, worauf dann die so imprägnierte Struktur weiter durch Erhitzen gemäß den obigen Angaben verarbeitet werden kann. Jedoch besteht die Neigung, daß dieses Imprägnierungsverfahren die Bildung eines Verbundwerkstoffs ergibt, der die oben erwähnten nachteiligen Merkmale aufweist, und zwar als Folge der Tendenz der Fasern, sich nicht zu kontrahieren und einer Kontraktion der Zusammensetzung zu widerstehen. Außerdem besteht bei der Durchführung der Imprägnierung der Fasern in der Struktur die Neigung, die Teilchen aus keramischem Material herauszufiltrieren, weshalb es schwierig ist, eine homogene Imprägnierung der Struktur zu erhalten, was zur Folge hat, daß die gebildete Zusammensetzung ebenfalls eine inhomogene Zusammensetzung und unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist.
Faserverstärkte keramische Verbundwerkstoffe können auch hergestellt werden durch ein Schmelzinfiltrationsverfahren, bei welchem eine Struktur aus einem keramischen faserförmigen Material mit einer Schmelze eines keramischen Materials imprägniert wird. Jedoch müssen notwendigerweise sehr hohe Temperaturen verwendet werden. Außerdem sublimieren verschiedene keramische Materialien und schmelzen nicht. Weiterhin kann als Ergebnis der im allgemeinen sehr hohen Viskosität von Schmelzen aus keramischen Materialien die Infiltrationsgeschwindigkeit der Schmelze in die Faserstruktur sehr niedrig sein, und es kann überhaupt schwierig sein, die gesamte Struktur homogen zu infiltrieren. Schließlich können die Fasern aus keramischem Material auch durch die hohen Verarbeitungstemperaturen geschädigt werden, die mit der Verwendung von Schmelzen von keramischen Materialien verbunden sind.
Ein weiteres Verfahren, durch welche faserverstärkte keramische Verbundwerkstoffe hergestellt werden können, ist das sogenannte chemische Dampfinfiltrationsverfahren, bei welchem eine aus Fasern aus einem keramischen Material hergestellte Struktur mit Dampf eines Materials infiltriert wird, das unter Bildung der Matrix aus keramischem Material im Verbundwerkstoff zersetzt werden kann. Das Verfahren kann bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur durchgeführt werden, die aber immerhin noch mehrere Hundert ºC beträgt, was zur Folge hat, daß die Schädigung der Fasern des keramischen Materials, wie sie bei dem Schmelzinfiltrationsverfahren auftritt, höchstens etwas verringert wird. Ein Beispiel für ein Material, das in Dampfform in eine aus keramischen Fasern gebildete Struktur infiltriert werden kann, ist Methyltrichlorosilan, welches unter Bildung von Siliciumcarbid durch Erhitzen auf eine Temperatur zersetzt werden kann, die kleiner als 1200ºC sein kann. Beispielsweise kann eine Struktur aus Siliciumcarbidfasern mit dem Dampf von Methyltrichlorosilan infiltriert werden, worauf dann letzteres in der Faserstruktur und unter Bildung von Siliciumcarbid zersetzt werden kann. Das bei diesem Verfahren erhaltene Produkt ist ein Verbundwerkstoff aus einer Matrix von Siliciumcarbid, die durch Fasern aus Siliciumcarbid verstärkt ist. Zwar können durch das chemische Dampfinfiltrationsverfahren einige der Nachteile der oben beschriebenen Verfahren verringert werden, beispielsweise die Schädigung der Fasern aus keramischen Material, die beim Schmelzinfiltrationsverfahren auftritt, aber es ist selbst ein sehr zeitaufwendiges Verfahren. In der Tat kann die Verarbeitungszeit bei der Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs mehrere Wochen betragen.
Die DE-A-34 27 722 beschreibt einen Verbundwerkstoff, der eine Schicht von keramischen Fasern und eine Matrix aufweist, die sich aus dem gleichen Material und einem organischen (thermoplastischen) Binder zusammensetzt. Die Schicht aus keramischen Fasern und die Matrix werden zur Herstellung eines grünen Körpers zusammengepreßt, der Binder wird ausgebrannt, und der grüne Körper wird bei 1700 bis 2000ºC gesintert, um einen Verbundwerkstoff herzustellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs, d.i. ein Verbundwerkstoff, der eine Matrix aus einem keramischen Material aufweist, in welchem ein keramisches Material als Verstärkung dispergiert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach durchzuführen, weil es nämlich eine Abwandlung eines herkömmlichen oben beschriebenen Verfahrens darstellt, bei welchem eine Struktur aus einem gesinterten teilchenförmigen keramischen Material aus einer Zusammensetzung hergestellt wird, die ein teilchenförmiges keramisches Material, ein flüssiges Verdünnungsmittel und einen organischen Binder enthält. Jedoch leidet die erfindungsgemäße Abwandlung nicht unter den oben erwähnten Nachteilen, insbesondere nicht unter den Kontraktionsproblemen, die mit der Herstellung eines faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs aus einer Struktur verbunden sind, die eine Matrix aus teilchenförmigem keramischen Material, flüssigem Verdünnungmittel und organischem Binder enthält, welche mit Fasern aus einem gesinterten keramischen Material gemischt ist. Der erfindungsgemäß hergestellte keramische Verbundwerkstoff kann eine Dichte von 95 % oder mehr der maximalen theoretischen Dichte aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorläuferstruktur, aus der eine faserverstärkte keramische zusammengesetzte Struktur hergestellt werden kann.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärten keramischen Verbundwerkstoffs, bei welchem eine Vorläuferstruktur hergestellt wird, die aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Matrixzusammensetzung und aus in der Matrix vorliegenden Fasern besteht, wobei die Fasern aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Zusammensetzung hergestellt sind, und bei welchem der Vorläufer erhitzt wird, um sowohl in der Matrix als auch in den Fasern das flüssige Verdünnungsmittel zu verdampfen, den organischen Binder zu zersetzen und die Teilchen des keramischen Materials zu sintern.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorläuferstruktur, aus welcher ein solcher faserverstärkter keramischer Verbundwerkstoff hergestellt werden kann und welche aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Matrixzusammensetzung und aus in der Matrix verteilten Fasern, die aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Zusammensetzung hergestellt sind, besteht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei welchem der faserverstärkte keramische Verbundwerkstoff durch Erhitzen der Vorläuferstruktur hergestellt wird, kontrahieren sich sowohl die Matrix als auch die Fasern, und zwar zum Teil aufgrund eines Verlustes von flüssigem Verdünnungsmittel und organischem Binder und auch aufgrund der Sinterung der Teilchen aus keramischem Material, sowohl in der Matrix als auch in den Fasern, was zur Folge hat, daß in dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoff eine verringerte Neigung zur Rißbildung besteht und auch die Neigung verringert ist, daß die Fasern nicht mit der Matrix verbunden sind, und zwar im Vergleich zu den bisher beschriebenen Verfahren, bei welchem ein solcher Verbundwerkstoff aus einer Vorläuferstruktur hergestellt wird, die eine Matrix aus teilchenförmigem keramischen Material, flüssigem Verdünnungmittel und organischem Binder in Mischung mit bereits gesinterten Fasern aus keramischem Material enthält,und bei welchem ein beträchtlicher Schrumpfungsunterschied zwischen der Matrix und den Fasern besteht.
In der Vorläuferstruktur, aus der der faserverstärkte keramische Verbundwerkstoff hergestellt wird, kann das teilchenförmige keramische Material in der Zusammensetzung, aus der die Matrix hergestellt wird, das gleiche wie oder ein anderes als das teilchenförmige keramische Material in der Zusammensetzung sein, aus welcher die Fasern hergestellt werden. In ähnlicher Weise können das flüssige Verdünnungsmittel und der organische Binder in der Zusammensetzung, aus der die Matrix hergestellt wird, dem flüssigen Verdünnungsmittel und dem organischen Binder in der Zusammensetzung, aus der die Fasern hergestellt werden, entsprechen oder auch nicht.
Die Anteile an teilchenförmigem keramischen Material, flüssigem Verdünnungsmittel und organischem Binder in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, können gleich oder unterschiedlich sein. Jedoch kontrahieren während der Erhitzung der Vorläuferstruktur zur Bildung des faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs sowohl die Matrix als auch die Fasern zusammen, und zwar teilweise aufgrund eines Verlustes an flüssigem Verdünnungsmittel und eines Verlustes an organischem Binder aus den entsprechenden Zusammensetzungen und auch aufgrund der Sinterung der Teilchen des keramischen Materials, und es ist deshalb bevorzugt, daß das Ausmaß der Kontraktion der Matrix und der Fasern, das durch Verlust von flüssigem Verdünnungsmittel und Zersetzung von organischem Binder eintritt, im wesentlichen gleich oder ähnlich sein soll, und aus diesem Grunde wird es bevorzugt, daß die Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, hinsichtlich der relativen Mengen der darin enthaltenden Komponenten im wesentlichen gleich sein sollten.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann jedes keramische Material verwendet werden. So kann das teilchenförmige keramische Material ein Oxid oder ein Gemisch von Oxiden eines metallischen oder nichtmetallischen Elements sein, beispielsweise ein Oxid von Aluminium, Calcium, Magnesium, Silicium, Chrom, Hafnium, Molibdän, Thorium, Uran, Titan oder Zirconium. Das keramische Material kann ein Carbid von beispielsweise Bor, Chrom, Hafnium, Molibdän, Niob, Tantal, Thorium, Titan, Wolfram, Uran, Zirconium oder Vanadium sein. Das keramische Material kann aus Siliciumcarbid bestehen. Das keramische Material kann ein Borid oder ein Nitrid sein, beispielsweise ein Borid oder Nitrid eines oder mehrerer der oben erwähnten Elemente.
Das keramische Material ist ein Material, das auf eine erhöhte Temperatur, beispielsweise eine Temperatur von mehr als 1000ºC, erhitzt werden kann, um die Teilchen des Materials zum Zusammensintern zu veranlassen. Innerhalb des Bereichs des Ausdrucks "teilchenförmiges keramisches Material" sollen auch solche Metalle fallen, die in Pulverform durch die Anwendung von Wärme gesintert oder miteinander verschmolzen werden können, das sind also solche Metalle, die einer Verarbeitung durch die Technik der Pulvermetallurgie zugängig sind. Solche Metalle sind Aluminium und Aluminiumlegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen sowie Nickel und Nickellegierungen.
Das teilchenförmige keramische Material kann ein Gemisch von Teilchen sein, beispielsweise ein Gemisch aus einem teilchenförmigen Metall oder teilchenförmigen Metallen und/oder einem teilchenförmigen keramischen nichtmetallischem Material oder teilchenförmigen keramischen nichtmetallischen Materialien.
Die Teilchen des keramischen Materials in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden können, können jede zweckmäßige Größe aufweisen, aber es wird bevorzugt, daß sie eine verhältnismäßig kleine Größe besitzen. Dies gilt insbesondere für die Zusammensetzung aus der die Fasern hergestellt werden, da die Fasern selbst einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweisen und die Teilchen aus keramischem Material in der Zusammensetzung, aus der die Fasern hergestellt werden, eine maximale Dimensionsstabilität aufweisen sollten, die kleiner ist als der Durchmesser der Fasern.
Es wird bevorzugt, daß die Teilchen aus keramischem Material eine verhältnismäßig kleine Größe aufweisen, beispielsweise eine Größe von weniger als 5 um. Teilchen mit einer Größe von weniger als 1 um oder sogar weniger als 0,2 um werden besonders bevorzugt, da die Verwendung von solchen Teilchen eine Sinterung der Teilchen aus keramischem Material bei niedrigeren Temperaturen und bei höheren Geschwindigkeiten erlaubt, als dies bei größeren Teilchen der Fall ist. Die teilchenförmigen keramischen Materialien können eine monomodale Teilchengrößenverteilung aufweisen, d.h., daß die Teilchen alle im wesentlichen die gleiche Größe besitzen. Die Teilchengrößenverteilung kann aber auch multimodal sein, d.h., daß die Teilchen unterschiedliche Größen besitzen.
Damit das teilchenförmige keramische Material sowohl in der Matrix als auch in den Fasern der beim erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Vorläuferstruktur in ähnlicher Weise sintern, beispielsweise mit einer ähnlichen Geschwindigkeit bei einer gegebenen Temperatur, und damit die Matrix und die Fasern in der Struktur beim Sintern der Teilchen des keramischen Materials sich mit einer ähnlichen Geschwindigkeit kontrahieren, wird es bevorzugt, daß das teilchenförmige keramische Material in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, gleich ist und daß die Teilchen eine im wesentlichen ähnliche Größe und Größenverteilung besitzen. Eine ähnliche Sinterungsgeschwindigkeit der Teilchen aus keramischem Material in der Matrix und in den Fasern und eine ähnliche Kontraktionsgeschwindigkeit der Matrix und der Fasern beim Sintern der Teilchen hat einen günstigen Einfluß auf die Eigenschaften des durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlichen faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs, insbesondere hinsichtlich der Dichte desselben.
Das flüssige Verdünnungsmittel kann eine organische Flüssigkeit oder eine wässerige Flüssigkeit sein, z. B. Wasser oder eine Lösung aus Wasser und einer organischen Flüssigkeit. Die Natur des flüssigen Verdünnungsmittel wird zumindest teilweise durch die Natur des organischen Binders in den Zusammensetzungen bestimmt, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden. Es ist erwünscht, daß der organische Binder in dem flüssigen Verdünnungmittel löslich ist, weshalb das flüssige Verdünnungsmittel entsprechend ausgewählt wird. Das flüssige Verdünnungsmittel kann ein Alkohol sein, insbesondere ein niedriger Alkohol, z. B. Methanol oder Ethanol, aber aus Gründen der Toxizität und Entflammbarkeit besteht das Verdünnungsmittel vorzugsweise aus Wasser.
Die Funktion des organischen Binders in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, besteht darin, die Teilchen des keramischen Materials in der Matrix und in den Fasern der beim erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorläuferstruktur zu binden, bevor die Teilchen in der späteren Erhitzungsstufe des Verfahrens gesintert werden. Der Binder wird im allgemeinen ein organisches polymeres Material sein. Er ist vorzugsweise im flüssigen Verdünnungsmittel löslich, da die Verwendung eines solchen polymeren Materials die erfolgreiche Herstellung einer Faser unterstützt.
Geeignete wasserlösliche organische polymere Materialien für die Verwendung als Binder sind:
(a) Celluloseether, wie z. B. Hydroxypropyl-methyl-cellulose,
(b) amid-substituierte Polymere, wie z. B. ein Polymer oder Copolymer von Acrylamid,
(c) Polyalkylenoxid-Derivate, die beispielsweise aus einem Polyalkylenoxid (alternativ auch als Polyalkylenglycol bezeichnet), wie z. B. einem Polyalkylenglycol mit einem Molekulargewicht von mehr als ungefähr 10 000, bestehen können, und
(d) ein hydrolysiertes Vinylacetatpolymer oder -copolymer.
Das Polymer kann ein Copolymer von Vinylacetat und einem damit copolymerisierbaren Monomer sein, es besteht aber vorzugsweise aus hydrolysiertem Poly(vinylacetat). Um die Löslichkeit in Wasser zu unterstützen, beträgt der Grad der Hydrolyse des Vinylacetat(co)polymers im allgemeinen mindestens 50 %, vorzugsweise 70 bis 90 %.
Da das flüssige Medium und der organische Binder aus der Matrix und aus den Fasern in den Erhitzungsstufen des Verfahrens entfernt werden müssen, wird es zur Vermeidung einer übermäßigen Schrumpfung bevorzugt, daß die Mengen an flüssigem Medium und organischem Binder in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, nicht übermäßig groß sind, weshalb es insbesondere bevorzugt wird, daß die Zusammensetzungen eine hohen Anteil an teilchenförmigem keramischen Material enthalten. Die Zusammensetzungen enthalten vorzugsweise mehr als 50 Gew.% teilchenförmiges Material, insbesondere vorzugsweise mindestens 70 Gew.%. Die Zusammensetzungen können bis zu 95 Gew.% teilchenförmiges keramisches Material enthalten.
Der Anteil an flüssigem Medium in den Zusammensetzungen wird im allgemeinen größer als 5 Gew.% sein, aber im allgemeinen nicht mehr als 25 Gew.% betragen.
insbesondere wenn der Binder ein organisches polymeres Material ist, wird auch im Hinblick darauf ausgewählt, daß die Zusammensetzung eine Konsistenz erhält, die sich zum Formen, insbesondere zum Formen in Fasern, eignet. Die Zusammensetzungen werden im allgemeinen mindestens 3 Gew.% organischen Binder, aber im allgemeinen nicht mehr als 20 Gew.% davon enthalten.
Damit das teilchenförmige keramische Material sowohl in der Matrix als auch in den Fasern der beim erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vorläuferstruktur in ähnlicher Weise sintert, beispielsweise mit einer ähnlichen Geschwindigkeit bei einer gegebenen Temperatur, und damit die Matrix und die Fasern in der Struktur sich bei der Entfernung von flüssigem Medium und organischem Binder und beim Sintern der Teilchen aus keramischem Material mit einer ähnlichen Geschwindigkeit kontrahieren, wird es bevorzugt, daß die Anteile an teilchenförmigem keramischen Material, an flüssigem Medium und an organischem Binder in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern gebildet werden, im wesentlichen gleich sind.
Die Komponenten der Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, können in ähnlicher Weise gemischt werden, beispielsweise durch Mischen in einem Schaufelmischer. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Komponenten der Zusammensetzungen homogen gemischt werden, und aus diesem Grunde wird ein Mischen unter Bedingungen einer starken Scherung bevorzugt, beispielsweise in einem Schnekkenextruder. Eine bevorzugte Form eines Mischens unter hoher Scherung erfolgt in einer Doppelwalzenmühle, deren Walzen sich mit der gleichen oder mit einer unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeit drehen. Die Zusammensetzungen können wiederholt durch den Spalt zwischen den Walzen der Mühle hindurchgeführt werden, wobei der Spalt allmählich verringert wird. Der Spalt zwischen den Walzen der Mühle kann auf eine Größe von nur 0,1 mm verringert werden, was zur Folge hat, daß auf die Zusammensetzungen eine sehr hohe Scherwirkung ausgeübt wird, was ein Aufbrechen der Aggregate aus teilchenförmigem keramischen Material, die in den Zusammensetzungen vorliegen können, und die Bildung einer homogen gemischten Zusammensetzung unterstützt.
Die Fasern, welche einen Teil der Vorläuferstruktur der Erfindung bilden, können dadurch hergestellt werden, daß man eine Zusammensetzung durch eine geeignete öffnung extrudiert. Die Zusammensetzung sollte eine solche Konsistenz haben, daß beim Extrudieren der Zusammensetzung in Faserform die Fasern ihre Integrität beibehalten können. Die Fasern können als kontinuierliche Fäden extrudiert werden, oder sie können in Form von verhältnismäßig kurzen Fasern zerkleinert werden. Die Fasern können in die Form einer Matte überführt werden, beispielsweise durch Weben der Fasern.
Die Fasern können jeden geeigneten Durchmesser aufweisen. Sie werden iin allgemeinen einen Durchmesser von mindestens 50 um besitzen und können einen Durchmesser bis zu 500 um oder sogar 1 mm oder darüber besitzen. Der Faserdurchmesser unterliegt keiner besonderen Beschränkung.
Um die Aufrechterhaltung der Integrität der Fasern während der Herstellung der Vorläuferstruktur und während des Erhitzens der Struktur zur Bildung des faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs zu unterstützen, können die Fasern mit einem Material beschichtet sein, das den erhöhten Temperaturen widersteht, die bei den Erhitzungsstufen des Verfahrens angetroffen werden. Beispielsweise kann das Material erhöhte Temperaturen bis zu 1000ºC oder mehr aushalten. Eine geeignete Beschichtung für die Fasern ist Kohlenstoff, welcher auf die Oberfläche der Fasern durch Verdampfen oder durch Kontaktieren der Fasern mit einer Dispersion von Kohlenstoff in einem flüssigen Medium aufgebracht werden kann. Die Fasern können mit dem zersetzbaren Vorläufer eines Materials beschichtet werden, das bei erhöhten Temperaturen beständig ist, beispielsweise mit einem zersetzlichen Vorläufer eines feuerfesten Borids.
Zwar kann die Vorläuferstruktur durch eine Reihe von verschiedenen Techniken hergestellt werden, aber gewisse Techniken, durch welche faserverstärkte Strukturen in anderen Techniken hergestellt werden können, beispielsweise in der Technik der faserverstärkten Kunststoffe, können sich als ungeeignet erweisen. So kann beim Mischen einer matrixbildenden Zusammensetzung mit Fasern in einem Schaufelmischer und insbesondere beim Mischen einer matrixbildenden Zusammensetzung mit Fasern unter hohen Scherbedingungen, beispielsweise in einem Extruder oder auf einer Doppelwalzenmühle, die Tendenz bestehen, daß die Integrität der Fasern zerstört wird, was zur Folge hat, daß die erwünschte Faserverstärkung des beim erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten keramischen Verbundwerkstoffs nicht erreicht wird.
Die Vorläuferstruktur wird in erwünschter Weise durch Verfahren hergestellt, welche keine Zerstörung der Integrität der Fasern zur Folge haben. Beispielsweise kann die Zusammensetzung, aus der die Matrix hergestellt wird, in die Form einer Tafel gebracht werden, worauf Fasern, die die Form von verhältnismäßig kurzen zerkleinerten Fasern oder die Form von gewebten oder ungewebten Matten oder andere Formen aufweisen können, auf die Tafel gelegt werden und in geeigneter Weise in die Platte gepreßt werden können.
Eine Vorläuferstruktur kann dadurch aufgebaut werden, daß man eine Anzahl von alternierenden Schichten aus einer Matrixzusammensetzung und einer Schicht von Fasern aufbaut und die Struktur preßt.
Die Vorläuferstruktur kann auch durch andere Verfahren hergestellt werden, und das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Anwendung eines bestimmten Verfahrens zur Herstellung der Vorläuferstruktur beschränkt. Beispielsweise kann die Vorläuferstruktur dadurch hergestellt werden, daß man eine Masse aus Fasern preßt, die mit der Zusammensetzung beschichtet worden sind, aus denen die Matrix gebildet wird.
In den nachfolgenden Stufen des erfindungsgmäßen Verfahrens wird die Vorläuferstruktur erhitzt, um das flüssige Verdünnungsmittel abzudampfen, den organischen Binder zu ersetzen und die Teilchen des keramischen Materials sowohl in der Matrix als auch in den Fasern zu sintern.
Die Vorläuferstruktur muß nur auf eine verhältnismäßig niedrige Temperatur erhitzt werden, um das flüssige Medium abzudampfen. Eine Temperatur bis zu 100 ºC oder möglicherweise etwas höher reicht im allgemeinen aus. Die verwendete Temperatur hängt jedoch in gewissem Ausmaß von der Natur des flüssigen Mediums ab.
In ähnlicher Weise bestimmt die Natur des organischen Binders zumindest in gewissem Ausmaß die Temperatur, auf welche die Vorläuferstruktur erhitzt werden muß, um den Binder zu zersetzen und den Binder aus der Struktur zu entfernen. Im allgemeinen kann eine Temperatur bis zu 500ºC ausreichen, aber eine höhere Temperatur kann ebenfalls verwendet werden, z. B. eine Temperatur bis zu 750ºC.
In ähnlicher Weise wird die Temperatur, bei der die Sinterung der Teilchen aus keramischem Material in der Matrix und in den Fasern ausgeführt wird, zumindest teilweise von der Natur des keramischen Materials und der Form des keramischen Materials, z. B. Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung, abhängen. Die Temperatur, bei der die Sinterung ausgeführt wird, beträgt im allgemeinen mindestens 1000ºC und kann bis zu 2000ºC oder sogar mehr betragen.
Zwar wurden in der obigen Beschreibung spezielle Temperaturen genannt, bei denen das flüssige Verdünnungsmittel entfernt, der organische Binder zersetzt und die Teilchen aus keramischem Material gesintert werden, aber diese Verfahrensstufen können dadurch ausgeführt werden, daß man die Vorläuferstruktur allmählich auf progressiv höhere Temperaturen erhitzt, wobei möglicherweise die Temperatur bei der Erhitzung auf progressiv höhere Temperaturen bei einem bestimmten Wert oder bei mehreren bestimmten Werten während einer ganz bestimmten Zeit angehalten wird.
Um eine übermäßige Oxidation zu vermeiden, kann es nötig sein, zumindest einen Teil der Erhitzung in einer nichtoxidierenden Atmosphäre auszuführen, z. B. in einer Atmosphäre eines inerten Gases. Die Verwendung einer solchen Atomosphäre kann besonders bei den höheren Temperaturen erwünscht sein.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, worin alle Teile in Gewicht ausgedrückt sind.

Beispiel 1

Herstellung von Fasern: Eine Zusammensetzung aus 49,5 Teilen Siliciumcarbid-Pulver einer Teilchengröße von 0,2 um, 0,5 Teile Bor-Pulver, 4,5 Teile hydrolysiertem Polyvinylacetat mit einem Hydrolysegrad von 80 % und 9 Teile Wasser wurden auf einer Doppelwalzenmühle gemischt und auf der Mühle in ein Band verformt. Das Band wurde wiederholt aus der Mühle abgeführt und erneut in den Spalt zwischen die Walzen der Mühle geleitet, um die Komponenten der Zusammensetzung sorgfältig zu mischen. Die Zusammensetzung wurde dann in einen Schneckenextruder eingebracht und durch eine Düse mit 300 um Durchmesser auf dem Extruder in eine Faserform extrudiert.
Herstellung einer Matrix: Eine Zusammensetzung, die die gleiche war wie die oben beschriebene, außer daß die Zusammensetzung 5 Teile hydrolysiertes Polyvinylacetat enthielt, wurde auf einer Doppelwalzenmühle entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren gemischt, und die erhaltene Tafel wurde aus der Mühle abgeleitet. Die Tafel, die eine Dicke von 0,2 mm aufwies, wurde in zwei gleichgroße Teile geschnitten.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Fasern, die gemäß der obigen Vorschrift hergestellt worden waren, wurden auf eine Länge von annähernd 80 mm zerkleinert und auf die Oberfläche einer der Platten gelegt, worauf die andere Platte auf die Oberseite der Platten gebracht und die so hergestellte Struktur unter einem Druck von 392,3 Mpa (4 Tonnen) gepreßt wurde.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Die Vorläuferstruktur wurde dann 12 h auf 80ºC erhitzt, worauf die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 10C/min auf 700ºC und die Struktur in einer Argonatmosphäre 1 h auf 700ºC gehalten wurde. Die Temperatur wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 15ºC/min auf 2040ºC gebracht, und das Erhitzen auf 2040ºC wurde noch 0,5 h fortgesetzt. Der so hergestellte faserverstärkte keramische Verbundwerkstoff wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Dichte des Verbundwerkstoffs war 98 % der maximalen theoretischen Dichte, und eine Überprüfung durch optische und elektronische Mikroskopie zeigte, daß der Verbundwerkstoff frei von Rissen war und daß die Fasern ihre Integrität beibehalten hatten.

Vergleichsbeispiel 1

Herstellung von Fasern: Die Faserherstellung erfolgte nach der Vorschrift von Beispiel 1 oben, außer daß die gebildeten Fasern zusätzlich mit einer Geschwindigkeit der Temperaturzunahme von 15ºC/min auf 2040ºC erhitzt wurden und die Temperatur 30 min bei 2040ºC gehalten wurde. Die gebildeten Fasern aus gesintertem Siliciumcarbid wurden dann durch Bedampfen mit einer dünnen Kohlenstoffschicht beschichtet.
Herstellung einer Matrix: Zwei 0,2 mm dicke Platten wurden entsprechend der Vorschrift von Beispiel 1 oben hergestellt.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Eine Vorläuferstruktur wurde entsprechend dem in Beispiel 1 oben beschriebenen Verfahren hergestellt.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Die Vorläuferstruktur wurde entsprechend der Vorschrift von Beispiel 1 oben erhitzt. Jedoch war die endgültige Dichte des Verbundwerkstoffs nur 81 % der maximalen theoretischen Dichte, und eine optische Prüfung des Verbundwerkstoffs zeigte, daß er eine beträchtliche Porosität aufwies, die hauptsächlich in Form von großen Rissen vorlag, die quer zur Faserrichtung verliefen.

Vergleichsbeispiel 1a

Das Verfahren des Vergleichsbeispiels 1 oben wurde wiederholt, außer daß die Vorläuferstruktur durch Einpressen der Fasern in eine Oberfläche eine der Matrixtafeln hergestellt wurde.
Die endgültige Dichte des erhaltenen keramischen Verbundwerkstoffs war 87 % der theoretischen maximalen Dichte, und der Verbundwerkstoff enthielt große Risse, die quer zur Richtung der Fasern verliefen. Weiterhin war die Tafel nicht mehr eben, und die Oberfläche der Tafel, welche die Fasern enthielt, war gekrümmt.

Beispiel 2

Herstellung von Fasern: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde bis zur Bildung der Faser wiederholt, außer daß die Fasern aus einer Zusammensetzung von 50 Teilen Titandiborid mit einer mittleren Teilchengröße von 1 um und 11 Teilen einer 20:80 (G/G)- Lösung von Hydroxypropylmethylcellulose und Wasser hergestellt wurden, die Fasern durch eine Düse mit einem Durchmesser von 500 um extrudiert wurden und die Fasern nach dem Trocknen mit einer Kohlenstoffschicht durch Eintauchen in eine Kohlenstoffaufschlämmung beschichtet wurden.
Herstellung einer Matrix: Zwei Tafeln mit einer Dicke von 0,2 mm wurden durch das Verfahren von Beispiel 1 oben hergestellt, außer daß die Tafeln aus einer Titandiborid enthaldenden Zusammensetzung wie oben hergestellt wurden.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde wiederholt, um eine Vorläuferstruktur aus den oben hergestellten Titandiborid enthaltenen Fasern und der oben hergestellten Matrix herzustellen.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Ein keramischer Verbundwerkstoff wurde aus der Vorläuferstruktur durch das in Beispiel 1 beschriebene Erhitzungsverfahren hergestellt. Die Dichte des Verbundwerkstoffs war 94 % der theoretischen maximalen Dichte. Die Integrität der Fasern im Verbundwerkstoff war beibehalten, und außerdem war er frei von Rissen.

Vergleichsbeispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 2 wurde wiederholt, um einen keramischen Verbundwerkstoff herzustellen, außer daß der Verbundwerkstoff aus einer Vorläuferstruktur gebildet wurde, in der die vorliegenden Fasern aus Titandiborid-Fasern bestanden, wie sie oben hergestellt wurden, die aber vor der Beschichtung mit Kohlenstoff mit einer Geschwindigkeit der Temperaturzunahme von 15 ºC/min auf 2040ºC erhitzt und 30 min bei dieser Temperatur gehalten worden waren, um die Titandiborid-Teilchen in den Fasern zu sintern. Die Fasern besaßen eine Dichte von 93 % des theoretischen Maximums. Der gebildete keramische Verbundwerkstoff hatte eine Dichte von nur 81 % der theoretischen Maximaldichte und enthielt große Risse quer zur Richtung der Fasern.

Beispiel 3

Herstellung von Fasern: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde wiederholt, um Fasern herzustellen, außer daß die Fasern aus einer Zusammensetzung von 50 Teilen Titancarbid einer mittleren Teilchengröße von 1,45 um, 5 Teilen zu 80 % hydrolysiertem Polyvinylacetat und 6 Teilen Wasser hergestellt wurden und die Fasern nach dem Trocknen durch Eintauchen in eine Kohlenstoffaufschlemmung mit einer Kohlenstoffschicht versehen wurden.
Herstellung einer Matrix: Zwei Tafeln mit einer Dicke von 0,2 mm wurden durch das Verfahren von Beispiel 1 oben hergestellt, außer daß die Tafeln aus einer Titancarbid enthaltenden Zusammensetzung, wie sie oben beschrieben ist, hergestellt wurden.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde wiederholt um eine Vorläuferstruktur aus den Titancarbid enthaltenden Fasern und der Matrix, deren Herstellung oben beschrieben wurde, herzustellen.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Ein keramischer Verbundwerkstoff wurde aus der Vorläuferstruktur durch das im Beispiel 1 beschriebene Erhitzungsverfahren hergestellt. Die Dichte des Verbundwerkstoffs war 96 % des theoretischen Maximums. Die Integrität der Fasern im Verbundwerkstoff war beibehalten, und außerdem war er frei von Rissen.

Vergleichsbeispiel 3

Das Verfahren von Beispiel 3 wurde wiederholt, um einen keramischen Verbundwerkstoff herzustellen, außer daß der Verbundwerkstoff aus einer Vorläuferstruktur hergestellt wurde, in welcher die anwesenden Fasern Titancarbid-Fasern waren, die gemäß obiger Vorschrift hergestellt wurden und die vor der Beschichtung mit Kohlenstoff mit einer Geschwindigkeit der Temperaturzunahme von 15 ºC/min auf 2040ºC erhitzt und 30 min bei dieser Temperatur gehalten wurden, um die Titancarbid-Teilchen in den Fasern zu sintern. Die Fasern hatte eine Dichte von 94 % des theoretischen Maximums. Der gebildete keramische Verbundwerkstoff hatte eine Dichte von nur 83 % der theoretischen Maximaldichte und enthielt große Risse quer zur Richtung der Fasern.

Beispiel 4

Herstellung von Fasern: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde wiederholt, um Fasern herzustellen, außer daß die Fasern aus einer Zusammensetzung aus 50 Teilen Titandioxid mit einer mittleren Teilchengröße von 0,2 um, 5 Teilen zu 80 % hydrolysiertem Polyvinylacetat und 6 Teilen Wasser hergestellt wurden, die Fasern durch eine Düse mit einem Durchmesser von 200 um extrudiert wurden und die Fasern nach dem Trocknen durch Eintauchen in eine Bornitrid-Aufschlämmung mit einer Schicht von Bornitrid beschichtet wurden.
Herstellung einer Matrix: Zwei Tafeln mit einer Dicke von 0,2 mm wurden durch das Verfahren von Beispiel 1 oben hergestellt, außer daß die Tafeln aus der oben beschrieben Titandioxid enhaltenden Zusammensetzung hergestellt wurden.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde wiederholt, um eine Vorläuferstruktur aus den Titandioxid enthaltenden Fasern und der Matrix, die gemäß obiger Vorschrift hergestellt worden waren, zu bilden.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Ein keramischer Verbundwerkstoff wurde aus der Vorläuferstruktur durch das in Beispiel 1 beschriebene Erhitzungsverfahren hergestellt, außer daß die Maximaltemperatur 1200ºC war. Die Dichte des Verbundwerkstoffs war 98 % der theoretischen maximalen Dichte. Die Integrität der Fasern war im Verbundwerkstoff beibehalten, und außerdem war er frei von Rissen.

Vergleichsbeispiel 4

Der Vorgang von Beispiel 4 wurde wiederholt, um einen keramischen Verbundwerkstoff herzustellen, außer daß der Verbundwerkstoff aus einer Vorläuferstruktur hergestellt wurde, in welcher die vorliegenden Fasern Titandioxid-Fasern waren, die gemäß obiger Vorschrift hergestellt wurden und die vor der Beschichtung mit Bornitrid mit einer Geschwindigkeit der Temperaturzunahme von 15 ºC/min auf 1200ºC erhitzt und 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten wurden, um die Titandioxid-Teilchen in den Fasern zu sintern. Die Fasern hatten eine Dichte von 99 % des theoretischen Maximums. Der gebildete keramische Verbundwerkstoff war in mehrere Teile gebrochen.

Beispiel 5

Herstellung von Fasern: Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, um Fasern herzustellen, außer daß die Fasern aus einer Zusammensetzung aus 50 Teilen Zirconiumdioxid-Pulver, 4 Teilen zu 80 % hydrolysiertem Polyvinylacetat und 6 Teilen Wasser hergestellt wurden, die Fasern durch eine Düse mit einem Durchmesser von 200 um extrudiert wurden und die Fasern nach dem Trocknen durch Eintauchen in eine Bornitrid-Aufschlämmung mit einer Schicht von Bornitrid beschichtet wurden.
Herstellung einer Matrix: Zwei Tafeln mit einer Dicke von 0,2 mm wurden durch das Verfahren von Beispiel 1 oben hergestellt, außer daß die Tafeln aus einer Zirkoniumdioxid enthaltenden Zusammensetzung, wie sie oben beschrieben wurde, hergestellt wurden.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Das in Beispiel 1 oben beschriebene Verfahren wurde wiederholt, um eine Vorläuferstruktur aus Zirkoniumdioxid enthaltenden Fasern und einer Matrix herzustellen, deren Herstellung oben beschrieben wurde.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Ein keramischer Verbundwerkstoff wurde aus der Vorläuferstruktur hergestellt, wobei das in Beispiel 1 beschriebene Erhitzungsverfahren verwendet wurde, außer daß die Maximaltemperatur 1450ºC betrug. Die Dichte des Verbundwerkstoffs war 99,5 % der theoretischen maximalen Dichte. Die Integrität der Fasern war im Verbundwerkstoff beibehalten, und außerdem war er frei von Rissen.

Vergleichsbeispiel 5

Das Verfahren von Beispiel 5 wurde wiederholt, um eine keramischen Verbundwerkstoff herzustellen, außer daß der Verbundwerkstoff aus einer Vorläuferstruktur hergestellt wurde, in welcher die anwesenden Fasern Zirkoniumdioxid-Fasern waren, die gemäß obiger Vorschrift hergestellt wurden und die vor der Beschichtung mit Bornitrid mit einer Geschwindigkeit der Temperaturzunahme von 15ºC/min auf 1450ºC erhitzt und 30 min bei dieser Temperatur gehalten wurden, um die Zirkoniumdioxid- Teilchen in den Fasern zu sintern. Die Fasern hatten eine Dichte von 99,8 % des theoretischen Werts. Der gebildete keramische Verbundwerkstoff hatte eine Dichte von nur 81,4 % der theoretischen maximalen Dichte und enthielt große Risse quer zur Richtung der Fasern.

Beispiel 6

Herstellung von Fasern: Das Verfahren von Beispiel 5 wurde wiederholt, um mit Bornitrid beschichtete Zirkoniumdioxid enthaltende Fasern herzustellen.
Herstellung einer Matrix: Zwei Tafeln mit einer Dicke von 0,2 mm wurden durch das Vefahren von Beispiel 1 oben hergestellt, außer daß die Tafeln aus einer Zusammensetzung von 50 Teilen Aluminiumoxid-Pulver, 5 Teilen zu 80 % hydrolisiertem Polyvinylacetat und 7 Teilen Wasser hergestellt wurden.
Herstellung einer Vorläuferstruktur: Das Verfahren von Beispiel 1 oben wurde wiederholt, um eine Vorläuferstruktur aus den Fasern und der Matrix herzustellen, deren Herstellung oben beschrieben wurde.
Herstellung eines keramischen Verbundwerkstoffs: Ein keramischer Verbundwerkstoff wurde aus der Vorläuferstruktur hergestellt, wobei das in Beispiel 1 beschriebene Erhitzungsverfahren angewendet wurde, außer daß die Maximaltemperatur 1450 ºC betrug. Die Dichte des Verbundwerkstoffs war 99,2 % der theoretischen maximalen Dichte. Die Integrität der Fasern war im Verbundwerkstoff beibehalten, und dieser war außerdem frei von Rissen.

Vergleichsbeispiel 6

Das Verfahren von Beispiel 6 wurde wiederholt, um einen keramischen Verbundwerkstoff herzustellen, außer daß der Verbundwerkstoff aus einer Vorläuferstruktur erzeugt wurde, in welcher die vorliegenden Fasern gesinterte Zirkoniumdioxid-Fasern waren, die entsprechend dem Verfahren von Vergleichsbeispiel 5 hergestellt wurden. Der gebildete keramische Verbundwerkstoff hatte eine Dichte von nur 81 % der theoretischen maximalen Dichte und enthielt große Risse quer zur Richtung der Fasern.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs, bei welchem eine Vorläuferstruktur hergestellt wird, die aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Matrixzusammensetzung und aus in der Matrix vorliegenden Fasern besteht, wobei die Fasern aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Zusammensetzung hergestellt sind, und bei welchem der Vorläufer erhitzt wird, um sowohl in der Matrix als auch in den Fasern das flüssige Verdünnungsmittel zu verdampfen, den organischen Binder zu zersetzen und die Teilchen des keramischen Materials zu sintern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das teilchenförmige keramische Material der Zusammensetzung der Matrix das gleiche teilchenförmige keramische Material wie in der Zusammensetzung der Fasern ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, bei welchem das Ausmaß der Kontraktion der Matrix und der Fasern, welche durch Verlust von flüssigem Verdünnungsmittel und Zersetzung des organischen Binders erhalten wird, im wesentlichen das gleiche ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem die Anteile der Komponenten in den Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt werden, im wesentlichen gleich sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das teilchenförmige keramische Material aus Siliciumcarbid, Titancarbid, Titandiborid, Titandioxid und Zirconiumdioxid ausgewählt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Teilchengröße des keramischen Materials weniger als 5 um beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem der organische Binder aus einem organischen polymeren Material besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem das organische polymere Material aus einem hydrolysierten Vinylacetatpolymer oder -copolymer besteht oder ein solches enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt sind, mindestens 50 Gew.% teilchenförmiges keramisches Material enthalten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt sind, mehr als 5 Gew.% flüssiges Medium enthalten.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Zusammensetzungen, aus denen die Matrix und die Fasern hergestellt sind, mindestens 3 Gew.% organischen Binder enthalten.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem die Fasern einen Durchmesser von mindestens 50 um aufweisen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die Fasern mit einem Material beschichtet sind, das bei der in der Erhitzungsstufe des Verfahrens auftretenden erhöhten Temperatur beständig ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das beständige Material aus Kohlenstoff besteht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem die Vorläuferstruktur eine Matrix in Form einer Tafel aufweist, in welche Fasern eingepreßt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die Vorläuferstruktur alternierende Schichten aus der Matrixzusammensetzung und aus Fasern aufweist.

17. Vorläuferstruktur, aus welcher ein faserverstärkter keramischer Verbundwerkstoff hergestellt werden kann und welche aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Matrixzusammensetzung und aus in der Matrix verteilten Fasern, die aus einer teilchenförmiges keramisches Material, flüssiges Verdünnungsmittel und organischen Binder enthaltenden Zusammensetzung hergestellt sind, besteht.

18. Vorläuferstruktur nach Anspruch 17, bei welcher die Zusammensetzungen, aus welcher die Matrix und die Fasern hergestellt sind, Zusammensetzungen nach einem der Ansprüche 2 bis 16 entsprechen.