DE69229007T2

DE69229007T2 - Verbundwerkstoffe aus siliciumcarbidfaserarmiertem Kohlenstoff

Info

Publication number: DE69229007T2
Application number: DE69229007T
Authority: DE
Inventors: Sam Lee; Paul V. Mosher
Original assignee: Hitco Carbon Composites Inc
Current assignee: SGL Composites Inc
Priority date: 1991-01-16
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: EP0495570B1; CA2059255A1; JPH04316611A; JP3154537B2; DE69229007D1; US5759688A; EP0495570A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Siliciumcarbid/Kohlenstoff- Verbundwerkstoffe (SiC/C), in denen SiC-Fäsern in einer kohlenstoffhaltigen Matrix angeordnet sind, wodurch sich Leichtwerkstoffe mit hoher Festigkeit, Wärmebeständigkeit, Zähigkeit und Oxidationsbeständigkeit ergeben.

Hintergrund der Erfindung

Feuerfeste, oxidationsbeständige, mit Siliciumcarbid verstärkte Verbundwerkstoffe werden meistens durch Gasphaseninfiltration von Vorformen aus Siliciumcarbid (SiC)-Fasern mit Siliciumcarbid hergestellt. Weiterhin sind Reaktionsbindungs- und Heißpreß-/Sinterverfahren zur Herstellung bekannt.
Gasphaseninfiltrations-Verfahren (CVI) weisen bei Verwendung von SiC einige Einschränkungen auf. Erstens werden häufig Temperatur- und/oder Druckgradienten eingesetzt, um eine akzeptable Verdichtung zu erreichen, was inhärente Einschränkungen bei der Herstellung von Teilen mit komplizierten Formen und Geometrien aufwirft. Zweitens ist das Verfahren auf relativ niedrige Faser-Volumina (weniger als 45%) und bestimmte Faserarchitekturen beschränkt. Drittens werden häufig Faserbeschichtungen verwendet, die die Kosten erhöhen und anfällig für Oxidation sind, um Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten.
Reaktionsbindungs- und Heißpreß-/Sinterverfahren weisen ähnliche Probleme auf. Reaktionsbindungsverfahren erfordern die Verwendung sehr hoher Temperaturen, die die SiC-Fasern zersetzen können. Gute Festigkeit und Zähigkeit sind durch Reaktionsbindung ohne die Verwendung von Faserbeschichtungen schwer zu erreichen. Heißpreßverfahren erfordern ebenfalls den Einsatz sehr hoher Temperaturen und bringen ernsthafte Ein schränkungen bei der Herstellung komplizierter Formen mit sich.
Für weiteren Hintergrund sei beispielsweise verwiesen auf: US-A-4 642 271, das ein keramisches Faserverbundwerkstoffmaterial betrifft, zusammengesetzt aus Bornittid-beschichteten keramischen Fasern, die in eine keramische Matrix eingebettet sind; US-A-4 894 286, das oxidationsbeständige, feuerfeste, beschichtete Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe betrifft; und US-A-4 748 079, das ein Verbundwerkstoffmaterial offenbart, das eine Harz-Kohlenstoff-Koks-Matrix und mehrfache feuerfeste verstärkende Fasern umfaßt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die netzförmige Herstellung großer komplizierter Strukturen, die fest, zäh und oxidationsbeständig sind und ihre mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, sogar oberhalb von 1093ºC (2000ºF), erhalten.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Gegenstand mit Verbundwerkstoffmaterialien bereit, der eine größere Oxidationsbeständigkeit als nicht-inhibierte Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffe aufweist und der verstärkende Fasern in einer Kohlenstoffmatrix aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkenden Fasern weitgehend aus einer Vielzahl Siliciumcarbid-haltiger Fasern in der Kohlenstoffmatrix bestehen und, daß die Kohlenstoffmatrix einen Inhibitor enthält, ausgewählt aus Borcarbid, Bornitrid, Siliciumtetraborid, Siliciumhexaborid, Zirkoniumdiborid, feuerfesten Metallboriden aus Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Gemischen hiervon.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Bauteils bereit, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
(a) Imprägnieren einer Vielzahl von Siliciumcarbid-Fasern mit einem oxidationshemmenden, füllstoffhaltigen organischen Harz;
(b) teilweise Wärmebehandlung (staging) der imprägnierten Fasern, um das Harz auszuhärten, damit ein Prepreg gebildet wird;
(c) Formen und Aushärten des Prepregs, damit ein Verbundstoff gebildet wird;
(d) Umwandlung des Harzes im Verbundstoff zu Kohlenstoff, um ein carbonisiertes Teil zu bilden; und
(e) Verdichten des carbonisierten Teils durch Gasphaseninfiltration, um das Bauteil zu bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Wärmeausdehnungsdiagramm, das die Änderung der Länge, geteilt durch die Länge multipliziert mit 1 · 10&supmin;³, gegen die Temperatur für verschiedene Materialien, eingeschlossen SiC/C-Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung, zeigt;
Fig. 2A ist ein Diagramm, das die Gewichtsänderung zeigt, die ein SiC/C-Verbundwerkstoff mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung erfährt, im Verhältnis zu einem Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoff mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix gealtert, an der Luft bei 649ºC (1200ºF);
Fig. 2B ist ein Diagramm, das die Gewichtsänderung zeigt, die ein SiC/C-Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix mit der Zeit erfährt, im Verhältnis zu einem Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix, gealtert an der Luft bei 1204ºC (2200ºF);
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Gewichtsänderung zeigt, die ein erfindungsgemäßer SiC/C-Verbundwerkstoff mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix mit der Zeit bei verschiedenen Temperaturen erfährt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Gewichtsänderung an der Luft zeigt, die ein SiC/C-Verbundwerkstoff mit einer beschichteten, inhibierten Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Zeit erfährt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die verbleibenden Eigenschaften eines SiC/C-Verbundwerkstoffs mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung nach Behandlung an der Luft bei 1204ºC (2200ºF) zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die verbleibenden Eigenschaften eines SiC/C-Verbundwerkstoffs mit einer beschichteten, inhibierten Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung nach zyklischem Oxidationstest zeigt; und
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die verbleibenden Eigenschaften eines SiC/C-Verbundwerkstoffs mit einer beschichteten, inhibierten Matrix mit einer Faserbeschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nach zyklischem Oxidationstest zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt leichte, feste, zähe und oxidationsbeständige Verbundwerkstoffe bereit, die sogar nach längerer Hochtemperaturbehandlung ihre Eigenschaften behalten. Die mit SiC verstärkten Verbundwerkstoffe dieser Erfindung sind insbesondere bei solchen Anwendungen einsetzbar, die Materialien erfordern, die große Belastungen bei Temperaturen bis zu 1400ºC aushalten können. Die netzförmige Herstellbarkeit und die Fähigkeit der Verbundwerkstoffe, uneingeschränkt weiterverarbeitet werden zu können, erlaubt die Herstellung von Teilen mit einer breiten Vielfalt an Größen, Formen und Strukturen.
Beispiele für die Verwendbarkeit solcher SiC/C-Verbundwerkstoffe sind Bauteile für Flugzeugmotoren, wie beispielsweise Klappen, Dichtungen und Verkleidungen, Einlagen/Dichtungsscheiben; Turbinenrotoren und Bauteile für Ultraschallfahrzeuge, wie beispielsweise Bolzen, Befestigungselemente, Hüllen/- Außenoberflächen und Vorderkanten/Eintrittskanten. Die SiC/C- Verbundwerkstoffe der vorliegenden Erfindung können auch als Wärmeschutzstoffe, wie beispielsweise Wärmeschutz Verankerungsplatten, verwendet werden.
Das Verfahren zur Herstellung der SiC/C-Verbundwerkstoffe dieser Erfindung verläuft wie folgt. Kontinuierliche keramische Fasern aus SiC/C werden mit Füllstoffen, die ein wärmehärtbares Harz enthalten, imprägniert. Die Fasern werden dann in einem Ofen bei ungefähr 40º-120ºC wärmebehandelt, um Lösungsmittel zu entfernen und das Harz teilweise zu härten. Die wärmebehandelten Fasern werden geschnitten, wie gewünscht ausgelegt und zum Formen vorbereitet. Die Fasern können in einer hydraulischen Presse oder in einem Autoklaven durch herkömmliche Verfahren zum Aushärten von Phenol- oder Epoxy-Verbundstoffen geformt werden. Das geformte Teil wird dann bei Temperaturen von ungefähr 800-1400ºC in einer inerten Umgebung wärmebehandelt, um die organische Matrix in Kohlenstoff umzuwandeln. Das carbonisierte Teil wird dann zur Verdichtung einer Kohlenstoff-CVI unterzogen.
In dieser Erfindung verwendbare SiC-Fasern sind Nicalon, Nippon Carbon's SiC-Filament; Tyranno, Ube Industries' SiC-Filament; HPZ, Dow Corning's Si-C-N-Filament; Fiberamic, Rhone- Poulenc's Si-C-N-Filament; Carborundum's polykristallines SiC- Filament; Sigma-Faser, British Petroleums SiC-Monofilament; und SCS-6, Textron's SiC-Monofilament, sind aber nicht auf diese beschränkt. Sie können in Form von Gewebe, Gewebeschnitzeln, Garn, Garnschnitzeln und als Band vorliegen. SiC-Garne können durch Flechten oder durch multidirektionales Weben zu den gewünschten Formen gewebt werden.
Die Imprägnierung der Fasern kann vor oder nach dem Weben stattfinden. Das Garn, Gewebe und/oder Band kann flach auf ein Werkzeug gelegt werden und aufeinandergeschichtet werden, wodurch eine geschichtete Verstärkung gebildet wird, wobei die Fasern in eine oder in mehrere Richtungen in der Verbundstoffebene ausgerichtet sind. Das Garn, Gewebe und/oder Band kann um einen Dorn gehüllt oder gewickelt werden, um eine Vielzahl an Form- und Verstärkungsorientierungen zu bilden. Die Faservolumina im Verbundstoff können von ungefähr 10 bis ungefähr 60% reichen, liegen aber vorzugsweise im Bereich von ungefähr 35 bis ungefähr 50%. Durch Verwendung imprägnierter Gewebe und ähnlichem ist es möglich, Strukturen mit komplizierten Formen mit einem sehr hohen Grad an Faserorientierung und -ausrichtung herzustellen.
Die Aufschlämmungen, die zur Imprägnierung der Fasern verwendet werden, enthalten Phenol-, Epoxy- oder Furanharze, die dispergierten Füllstoff(e) enthalten. Typische Phenolharze sind solche, die unter den Handelsnamen SC1008 von Borden Inc. und 134A von Ironsides Inc. angeboten werden, sind aber nicht hierauf beschränkt. Typische Epoxide sind solche, die von Shell Chemical Co. unter dem Handelsnamen Epon 820 und Epon 828 angeboten werden, sind aber nicht hierauf beschränkt. Typische Furane sind solche, die von Q. O. Chemicals Inc. unter den Handelsnamen UP 520 und LP 520 angeboten werden, sind aber nicht hierauf beschränkt.
Der verwendete Füllstoff war/die verwendeten Füllstoffe waren Kohlenstoff, Bor, Borcarbid, Bornitrid, Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumtetraborid, Siliciumhexaborid, Titandiborid und Zirkoniumdiborid, entweder allein oder in Kombination, sind aber nicht hierauf beschränkt. Die Füllstoffvolumina im Verbundwerkstoff können von ungefähr 2% bis ungefähr 25% reichen.
Die Kohlenstoffmatrizes der Verbundwerkstoffe der vorliegenden Erfindung enthalten vorzugsweise Füllstoffe, die als Inhibitoren wirken, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern. Diese beinhalten Silicium, Bor und die oben erwähnten borhaltigen Füllstoffe sowie andere borhaltige Verbindungen, wie beispielsweise feuerfeste Metallboride, eingeschlossen die von Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram. Die Volumina des Inhibitors in der Matrix können von 2% bis 25% reichen.
Das Wärmebehandlungsprogramm, das zur Carbonisierung des organischen Harzes verwendet wird, muß langsam genug sein, um im Bauteil nicht zu schnell flüchtige Stoffe zu erzeugen, was Relaminierungen verursachen könnte. Die Temperatur muß ausreichend hoch sein, um das Harz hauptsächlich in Kohlenstoff umzuwandeln, ohne die verstärkenden Fasern thermisch zu zersetzen. Typischerweise werden geformte Teile von Umgebungstemperatur auf 1000-130ºC innerhalb von 50-250 Stunden gebracht.
Gasphaseninfiltration (CVI) wird durchgeführt, nachdem die Verbundwerkstoffe Carbonisierung oder Pyrolyse eingehen. Ein oder mehrere Infiltrationen sind für optimale Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit erforderlich. Die erste CVI erfolgt vorzugsweise mit Kohlenstoff; nachfolgende CVIs können mit Kohlenstoff oder SiC durchgeführt werden, mindestens eine CVI sollte jedoch mit Kohlenstoff erfolgen. Kohlenstoff-CVI kann mit Alkanen oder Alkenen mit niedrigem Molekulargewicht durchgeführt werden, wie beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Propen oder Gemischen hiervon, wie beispielsweise Naturgas bei ungefähr 800º-1200ºC und einem Druck von 667 bis 6667 Pa (ungefähr 5 bis 50 Torr). SiC-CVI kann mit Methan und Silan, wie beispielsweise Siliciumtetrachlorid, oder mit einem Organosilan, wie beispielsweise Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan, Methyldichlorsilan oder deren Gemischen bei ungefähr 900º-1200ºC und einem Druck von 267-26.666 Pa (ungefähr 2-200 Torr) durchgeführt werden.
Kohlenstoff, Bornitrid und andere Beschichtungen können auf die Fasern aufgebracht werden, um die Festigkeit und Zähigkeit des Verbundwerkstoffs zu verbessern. Die Beschichtungen sollten aus einer Materialschicht mit niedrigem Spannungswert (modulus) bestehen, das die Riß-/Bruchfortpflanzung aus der Matrix in die Fasern unterbrechen kann. Faserbeschichtungen können durch Gasphasenabscheidung, elektrochemische Verfahren, naßchemische Verfahren oder durch Aufschlämmungsverfahren aufgebracht werden. Die Faserbeschichtung kann direkt auf das Garn und/oder Gewebe aufgebracht werden, bevor es imprägniert wird, oder in situ, nachdem der Verbundwerkstoff wärmebehandelt (carbonisiert) wurde.
Keramische Beschichtungen können auf Bauteile, die aus Verbundwerkstoffen dieser Erfindung hergestellt wurden, aufgebracht werden. Verwendbare Beschichtungen sind: Silicium, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumtriborid, Siliciumtetraborid, Siliciumhexaborid, Borcarbid und Oxide, wie beispielsweise Aluminiumphosphat, Aluminiumsilicate oder Borosilicate und Kombinationen des Obigen. Bevorzugt ist eine Siliciumcar bidbeschichtung und andere Beschichtungen, die eine Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten mit den Siliciumcarbid-haltigen Fasern aufweisen. Fig. 1 zeigt die enge Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten anorganischer Beschichtungen mit SiC/C-Verbundwerkstoffen im Vergleich zu C/C-Verbundwerkstoffen. Verfahren zum Aufbringen obiger Beschichtungen können die bekannten Verfahren der chemischen Gasabscheidung, physikalische Gasabscheidung, Plasma- oder Flammspritzen, Solgel- und Aufschlämmungsverfahren sein.
SiC/C-Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung haben Materialien mit chemischen und mechanischen Eigenschaften ergeben, die von Fachleuten im Bereich der Materialwissenschaften nicht erwartet worden wären. Typische mechanische Eigenschaften der 2D (verstärkt in 2 Dimensionen)-SiC/C-Materialien sind in Tabelle 1 gezeigt. Die interlaminare Zugfestigkeit von Verbundwerkstoffen dieser Erfindung überschritt 281 kg/cm² (4000 PSI), und die interlaminare Scherfestigkeit überschritt 492 kg/cm² (7000 PSI). Diese Werte betragen mindestens das Doppelte der Werte von 2D-Kohlenstoff/Kohlenstoff (C/C)-Verbundwerkstoffen. Die interlaminaren Scherfestigkeiten dieser Verbundwerkstoffe sind größer als alle früheren mit Kohlenstoff oder SiC durch CVI verdichtete Verbundwerkstoffe, von denen wir wissen. Die Kerbschlagzähigkeiten nach Izod, die üblicherweise verwendet werden, um die Zähigkeit zu eichen, überschritten oft 16 cm kp/cm² (3 ft-lbs/in), was darauf hinweist, daß diese Verbundwerkstoffe 10-100fach widerstandsfähiger gegen katastrophales Versagen sind als monolithische Keramiken.
Die Oxidationsbeständigkeit der Materialien der vorliegenden Erfindung ist beträchtlich höher als die der besten inhibierten C/C-Materialien und in vielen Fällen besser als die von SiC/SiC-Verbundwerkstoffen, die kohlebeschichtete Fasern aufweisen. Die inhärente Oxidationsbeständigkeit der Verbundwerk stoffe mit inhibierter Matrix wird, wie in Tabelle 1 gezeigt, durch das Beibehalten von über 75% deren Biegefestigkeit nach 100 Stunden Behandlung an der Luft bei 1204ºC (2200ºF) beispielhaft dargestellt. Nicht-inhibierte sowie SiC/C-Verbundwerkstoffe mit inhibierter Matrix zeigen mechanische Eigenschaften, die für strukturelle Anwendungen geeignet sind. Diesen Verbundwerkstoffen kann durch Verwendung von Beschichtungen, wie oben diskutiert, verbesserte Oxidationsbeständigkeit verliehen werden.
Tabelle 1
Mechanische Eigenschaften von SiC/C-Verbundwerkstoffen
A - Inhibierter SiC/C (Borcarbidfüllstoff)
B - Inhibierter SiC/C (Borcarbidfüllstoff)
C - Mäßig inhibierter SiC/C (Kohle- und Borcarbidfüllstoff)
D - Nicht inhibierter SiC/C (Kohlenstofffüllstoff)
E - SiC/C, inhibiert mit beschichteten Fasern (Borcarbidfüllstoff)
Obwohl das genaue Phänomen, das für die außerordentlichen Eigenschaften, die diese Verbundwerkstoffe zeigen, nicht bekannt ist, haben wir aufgrund unserer Analyse Theorien für einige Faktoren, die dazu beitragen, erarbeitet. Es wird vermutet, daß die hohen interlaminaren Eigenschaften das Ergebnis der beträchtlichen Menge an infiltriertem pyrolytischen Kohlenstoff ist, der in und um das SiC-Faserbündel vorliegt. Der pyrolytische Kohlenstoff kann die Fasern in die Matrix einschließen und die Lastenverteilung verbessern, ohne zu stark an die Fasern zu binden, um ein brüchiges Verhalten zu bewirken. Die bevorzugte Übereinstimmung des Spannungswertes und der thermischen Ausdehnung der SiC-Faser und des pyrolytischen Kohlenstoffs kann ein Faktor sein, der zu einer verminderten Brüchigkeit der Matrix während der Herstellung und der zyklischen Wärmebehandlung führt. Die Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation, die die Verbundwerkstoffe dieser Erfindung zeigen, können der Bildung einer glasigen Schicht oder Oxidablagerung auf der Oberfläche des Verbundwerkstoffs zugesprochen werden, die die Kohlenstoffphasen innerhalb der Matrix bei Einwirkung von Sauerstoff bei hoher Temperatur schützt. Wo beispielsweise Borcarbid als Füllstoff für das Harz verwendet wird, wurde eine Borosilicatschicht beobachtet. Wenn ein Metallborid verwendet wird, kann die Schicht ein Borosilicat dieses Metalls enthalten.

Beispiele

Beispiel 1

Ein Tuch von 101,6 cm mal 99,06 cm (40 inch mal 39 inch) Nicalon 8 gewebtes Satinfasergewebe wurde mit 571 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 16% Kohlenstoffpulver, 50% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 33,3% Ethanol bestand.
Das Tuch wurde in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Gewebe wurde dann in zwölf Lagen von 30,48 cm mal 33,02 cm (12 inch mal 13 inch) geschnitten und dann derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Kunststofftasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklaven überführt und die Auslaßöffnung mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, innerhalb von 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und bei 154,4ºC (310ºF) für weitere 3 Stunden gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und während 260 Stunden unter Stickstoff auf 537,8ºC (1000ºF) gebracht. Die teilweise carbonisierte Platte wurde anschließend entfernt und in einen anderen Ofen überführt und unter Argon während 15 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann einmal mit pyrolytischem Kohlenstoff mit einem CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine durchschnittliche interlaminare Scherfestigkeit von 182,8 kg/cm² (2600 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 42,2 kg/cm² (600 PSI) und eine Biegefestigkeit von 5,73 kg/cm² (37 KSI).

Beispiel 2

Zehn Tücher Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 45,72 cm mal 24,13 cm (18 inch mal 9,5 inch) wurden mit 820 g einer Aufschlämmung imprägniert, bestehend aus 11% amorphem Borpulver, 49% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 40% Ethanol. Die Tücher wurden dann in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten lang bei 82,2ºC (180ºF) und 30 Minuten bei 93,3ºC (200ºF) wärmebehandelt. Die wärmebehandelten Lagen wurden dann derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, auf 154,4ºC (310ºF) innerhalb von 4 Stunden gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Stickstoff während 260 Stunden auf 537,8ºC (1000ºF) gebracht. Der teilweise carbonisierte Verbundwerkstoff wurde entfernt und in einen anderen Ofen überführt und in einer Argonatmosphäre über einen Zeitraum von 15 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht, um den Carbonisierungsprozeß zu vervollständigen. Die carbonisierte Platte wurde dann zweimal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine durchschnittliche interlaminare Zugfestigkeit von 161,7 kg/cm² (2300 PSI) und eine Biegefestigkeit von 3,56 kg/cm² (23 KSI).

Beispiel 3

Ein Tuch Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 53,34 cm mal 99,06 cm (21 inch mal 39 inch) wurde mit 310 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 13,2% Borcarbidpulver, 37,8% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 49% Ethanol bestand. Das Tuch wurde dann in einen Umluftofen überführt und für 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Gewebe wurde dann in acht Lagen von 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) geschnitten und derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann zweimal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C- Verbundwerkstoff besaß eine durchschnittliche interlaminare Scherfestigkeit von 506,2 kg/cm² (7200 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 246,1 kg/cm² (ungefähr 3500 PSI), eine Biegefestigkeit von 6,2 kg/cm² (40 KSI) und eine Izod- Kerbschlagzähigkeit von 10,86 kp/cm² (ungefähr 2 ft- lbs/inch). Es wurde gefunden, daß Proben aus dieser Platte über 75% ihrer Biegeeigenschaften nach 100 Stunden Einwirkung an der Luft bei 1204ºC (2200ºF) behielten.

Beispiel 4

Ein Tuch Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 53,34 cm mal 99,06 cm (21 inch mal 39 inch) wurde mit 345 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 14,2% Siliciumhexaboridpulver, 35,7% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 50,1% Ethanol bestand. Das Tuch wurde dann in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Gewebe wurde dann in acht Lagen von 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) geschnitten und dann derart ge schichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann zweimal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine durchschnittliche interlaminare Scherfestigkeit von 196,9 kg/cm² (2800 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 147,7 kg/cm² (2100 PSI) und eine Biegefestigkeit von 3,87 kg/cm² (25 KSI).

Beispiel 5

Ein Tuch von 40,64 cm mal 99,06 cm (16 inch mal 39 inch) und ein Tuch von 40,64 cm mal 19,05 cm (16 inch mal 7,5 inch) Nicalon 8 gewebtes Satingewebe wurden mit 266 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 8,6% Borcarbidpulver, 6,3% Kohlenstoffpulver, 50,2% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 34,6 Ethanol bestand. Die Tücher wurden dann in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Die wärmebehandelten Tücher wurden dann in Lagen von 19,05 cm mal 19,05 cm (7,5 inch mal 7,5 inch) geschnitten, die in einem alternierenden Muster derart geschichtet wurden, daß die Hälfte der Kettfasern in der "x"- Richtung ausgerichtet war und die andere Hälfte senkrecht zur "x"-Richtung ausgerichtet war. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann einmal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C- Verbundwerkstoff besaß eine mittlere interlaminare Zugfestigkeit von 204 kg/cm² (2900 PSI), eine interlaminare Scherfestigkeit von 394 kg/cm² (5600 PSI), eine Biegefestigkeit von 9,76 kg/cm² (63 KSI) und eine Izod-Kerbschlagzähigkeit von über 16 cm kp/cm² (3 ft-lbs/inch).

Beispiel 6

Ein Tuch Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 53,34 cm mal 99,06 cm (21 inch mal 39 inch) wurde mit 272 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 11,2% Borcarbidpulver, 34,1% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 54,7% Ethanol bestand. Das Tuch wurde dann in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Tuch wurde in Lagen von 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) geschnitten, und die Lagen wurden derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,400 (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann einmal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine mittlere interlaminare Scherfestigkeit von 394 kg/cm² (5600 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 176 kg/cm² (2500 PSI), eine Biegefestigkeit von 8,37 kg/cm² (54 KSI) und eine Izod-Kerbschlagzähigkeit von 10,86 cm kp/cm² (2 ft-lbs/inch).

Beispiel 7

Ein Tuch Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 50,8 cm mal 99,06 cm (20 inch mal 39 inch) wurde mit 278 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 10,7% Kohlenstoffpulver, 53,3% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 36,0% Ethanol bestand. Das Tuch wurde dann in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Tuch wurde dann in Lagen von 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) geschnitten, und die Lagen wurden derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde mit einem Vakuum verbunden. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, wäh rend 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon in 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann einmal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Die erhaltenen SiC/C-Verbundwerkstoffe besaßen eine durchschnittliche interlaminare Scherfestigkeit von 386,7 kg/cm² (5500 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 260,1 kg/cm² (3700 PSI), eine Zugfestigkeit in der Ebene von 8,06 kg/cm² (52 KSI), eine Biegefestigkeit von 10,84 kg/cm² (70 KSI) und eine Izod-Kerbschlagzähigkeit von 54,3 cm kp/cm² (10 ft-lbs/inch).

Beispiel 8

Ein Tuch Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 11,4 cm mal 101,6 cm (4,5 inch mal 40 inch) wurde mit 65,2 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 14,8% Siliciumpulver, 13,5% Siliciumcarbidpulver, 0,5% amorphem Borpulver, 30,6% Epon 828 von Shell mit einem Bortrifluorid-Katalysator (Epoxyharz) und 40,6% Methylethylketon bestand. Die Tücher wurden anschließend für 60 Minuten bei 93,3ºC (200ºF) in einen Umluftofen überführt. Das wärmebehandelte Tuch wurde dann in acht Lagen von 11,4 cm mal 11,4 cm (4,5 inch mal 4,5 inch) geschnitten. Die Lagen wurden derart übereinandergeschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklav überführt, und die Auslaßöffnung wurde an ein Vakuum angeschlossen. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 19,7 kg/cm² (280 PSI) eingestellt, während 1 Stunde auf 176,7ºC (350º) gebracht und für eine weitere Stunde bei 176,7ºC (350ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 72 Stunden auf 815,6ºC (1500ºF) gebracht. Die teilweise carbonisierte Platte wurde dann unter Argon während 10 Stunden auf 1204,4ºC (2200ºF) wärmebehandelt. Die carbonisierte Platte wurde dann mit pyrolytischem Kohlenstoff infiltriert und dann einer zusätzlichen Wärmebehandlung bis zu 1412,8ºC (2575ºF) während 10 Stunden unterzogen. Die Platte wurde dann einer zusätzlichen CVI mit Kohlenstoff, gefolgt von einer CVI mit SiC, unterzogen. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine interlaminare Zugfestigkeit von 77,3 kg/cm² (1100 PSI) und eine Biegefestigkeit von 1,86 kg/cm² (12 KSI).

Beispiel 9

Zwei Tücher Dow Corning's HPZ 8 gewebtes Satingewebe von 12,7 cm mal 15,24 cm (5 inch mal 6 inch) wurden mit 7,6 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 14,5% Borcarbidpulver, 46,1% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 39,5% Ethanol bestand. Die Tücher wurden dann in einen Umluftofen überführt und 30 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Die wärmebehandelten Lagen wurden dann derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklaven überführt und die Auslaßöffnung an ein Vakuum angeschlossen. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für zusätzliche 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon in 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann einmal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C- Verbundwerkstoff besaß eine interlaminare Zugfestigkeit von 133,6 kg/cm² (1900 PSI) und eine Zugfestigkeit von 2,01 kg/- cm² (13 KSI).

Beispiel 10

Ein Tuch Nicalon 8 gewebtes Satingewebe von 53,34 cm mal 99,06 cm (21 inch mal 39 inch) wurde mit 409 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 31,1% Titandiboridpulver, 37,3% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 31,7% Ethanol bestand. Das Tuch wurde anschließend in einen Umluftofen überführt und für 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Gewebe wurde dann in acht Lagen von 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) geschnitten, und die Lagen wurden dann derart geschichtet, daß alle Gewebefasern gleich orientiert waren. Die Schichten wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklaven überführt, und die Auslaßöffnung wurde an ein Vakuum angeschlossen. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann zweimal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine durchschnittliche interlaminare Scherfestigkeit von 267,2 kg/cm² (3800 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 70,3 kg/cm² (1000 PSI) und eine Biegefestigkeit von 4,18 kg/cm² (27 KSI).

Beispiel 11

Drei Tücher 8 gewebtes Satingewebe von 9,65 cm mal 16,0 cm (3,8 inch mal 6,3 inch), die aus Carborundum's polykristallinen SiC-Fasern gewebt wurden, wurden mit 84 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 7,4% Borcarbidpulver, 5,2% Kohlenstoffpulver, 41,9% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 45,5% Ethanol bestand. Die Tücher wurden in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Die wärmebehandelten Tücher wurden dann in drei Lagen von 7,11 cm mal 15,7 cm (2,8 inch mal 6,2 inch) und in drei Lagen von 2,79 cm mal 15,7 cm (0,9 inch mal 6,2 inch) geschnitten und dann derart geschichtet, daß alle Kettfasern ausgerichtet waren, wobei die drei engeren Teile zusammengefügt waren, so daß eine vierte Lage von 7,11 cm mal 15,7 cm (2,8 inch mal 6,2 inch) gebildet wurde. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklaven überführt, und die Auslaßöffnung wurde an ein Vakuum angeschlossen. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann einmal mit pyrolytischem Koh lenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine interlaminare Zugfestigkeit von 42,19 kg/cm² (600 PSI) und eine Biegefestigkeit von 2,32 kg/cm² (15 KSI).

Beispiel 12

Ein Tuch Tyranno 8 gewebtes Satingewebe von 101,6 cm mal 99,06 cm (40 inch mal 39 inch) wurde mit 559 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 15,1% Borcarbidpulver, 45,9% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 39,0% Ethanol bestand. Das Tuch wurde dann in einen Umluftofen überführt und für 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Das wärmebehandelte Gewebe wurde dann in acht Lagen von 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) geschnitten, die in einem alternierenden Muster derart geschichtet wurden, daß die Hälfte der Kettfasern in der "x"-Richtung ausgerichtet war und die andere Hälfte senkrecht zur "x"-Richtung ausgerichtet war. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklaven überführt, und die Auslaßöffnung wurde an ein Vakuum angeschlossen. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Der Autoklav wurde dann abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann zweimal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine mittlere interlaminare Scherfestigkeit von 302,3 kg/cm² (4300 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 176 kg/cm² (2500 PSI) und eine Biegefestigkeit von 4,8 kg/cm² (31 KSI).

Beispiel 13

Acht Tücher Nicalon 8 gewebte Satingewebe 25,4 cm mal 25,4 cm (10 inch mal 10 inch) wurden einer 20-stündigen Kohlenstoff-CVD mit Methan unterzogen, um jedes Filament herum eine Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff von 0,8 im (Mikron) zu bilden. Die Tücher wurden dann mit 336 g einer Aufschlämmung imprägniert, die aus 13,2% Borcarbidpulver, 37,8% Ironsides 134A (phenolisches Harz) und 49,0% Ethanol bestand. Die Tücher wurden dann in einen Umluftofen überführt und 60 Minuten bei 82,2ºC (180ºF) wärmebehandelt. Die wärmebehandelten Tücher wurden derart geschichtet, daß alle Kettfasern gleich ausgerichtet waren. Die Lagen wurden dann zwischen zwei Metallplatten geschichtet und in einer Plastiktasche mit einer Auslaßöffnung verschlossen. Das Teil wurde dann in einen Autoklaven überführt, und die Auslaßöffnung wurde an ein Vakuum angeschlossen. Der Autoklav wurde auf einen Druck von 10,5 kg/cm² (150 PSI) eingestellt, während 4 Stunden auf 154,4ºC (310ºF) gebracht und für weitere 3 Stunden bei 154,4ºC (310ºF) gehalten. Anschließend wurde der Autoklav abgekühlt, und die konsolidierten Lagen wurden entfernt. Der erhaltene Verbundwerkstoff wurde dann in einen Ofen überführt und unter Argon während 184 Stunden auf 1010ºC (1850ºF) gebracht. Die carbonisierte Platte wurde dann zweimal mit pyrolytischem Kohlenstoff über ein CVI-Verfahren infiltriert. Der erhaltene inhibierte SiC/C-Verbundwerkstoff besaß eine durchschnittliche interlaminare Scherfestigkeit von 383,19 kg/cm² (5450 PSI), eine interlaminare Zugfestigkeit von 239,1 kg/cm² (3400 PSI), eine Zugfestigkeit von 8,68 kg/sq cm (56 KSI), eine Biegefestigkeit von 11,78 kg/cm² (76 KSI) und eine Izod- Kerbschlagzähigkeit von 36,9 cm kp/cm² (6,8 ft-lbs/inch).
Eigenschaften der gemäß den obigen typischen Beispielen hergestellten SiC/C-Verbundwerkstoffe sind in der Tabelle 2 unten gezeigt. Tabelle 2
Die SiC/C-Verbundwerkstoffe dieser Erfindung weisen daher signifikante Vorteile über herkömmliche keramische Verbundwerkstoffe auf. Die Verwendung einer inhibierten Kohlenstoffmatrix liefert all die Vorteile, die Kohlenstoff gegenüber keramischen Matrizen aufweist, wie beispielsweise Wärmebeständigkeit, Elastizität und Bearbeitbarkeit, während der Nachteil von Kohlenstoff, die geringe Oxidationsbeständigkeit, überwunden wird. Fig. 2A und 2B zeigen den Vorteil der Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur selbst von unbeschichteten, inhibierten SiC/C-Verbundwerkstoffen gegenüber unbeschichteten, inhibierten C/C-Verbundwerkstoffen bei Hochtemperatur- Luftalterungstests. Bei SiC/C ist der Gewichtsverlust beträchtlich vermindert bei Temperaturen von 649ºC (ungefähr 1200ºF) und zeigt, was dramatischer ist, einen Plateau-Effekt bei weniger als 5% Verlust bei 1204ºC (2200ºF) nach einer ungefähr einstündigen Behandlung.
Fig. 3 zeigt weiterhin die Stabilität der Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen der SiC/C-Verbundwerkstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung. Der prozentuale Gewichtsverlust des SiC/C-Verbundwerkstoffs mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix, hergestellt nach Beispiel 3, ist gezeigt, nach Alterung an der Luft bei verschiedenen Temperaturen von 649ºC bis 1371ºC (1200ºF bis 2500ºF). Fig. 4 zeigt den vernachlässigbaren Gewichtsverlust, den vier Proben von SiC/C- Verbundwerkstoffen mit inhibierter Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine mit Silicon behandelte SiC/C-Beschichtung enthalten, nach zyklischer Oxidation von bis zu 300 Stunden aufweisen. Der verwendete Oxidationszyklus war zwei Stunden bei 1204ºC (2200ºF), 18 Stunden bei 649ºC (1200ºF) und 16 Stunden bei 35ºC (95ºF) und 95% Feuchtigkeit. Ein Siliciumnitrid-beschichteter SiC/C-Verbundwerkstoff mit inhibierter Matrix wies ebenfalls eine vernachlässigbare Gewichtsänderung nach einem zyklischen Oxidationstest von 200 Stunden auf, wo bei der Zyklus 2,5 Stunden bei 1371ºC (2500ºF), 2,5 Stunden bei 1093ºC (2000ºF), 10 Stunden bei 816ºC (1500ºF) und 10 Stunden bei 649ºC (1200ºF) war.
Fig. 5-7 zeigen die Eigenschaften, die nach ausgiebigem Testen von Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, die mit Nicalon SiC-Fasern verstärkt sind, die von einem Autoklaven geformt wurden und durch Kohlenstoff-CVI verdichtet wurden, verbleiben.
Fig. 5 zeigt den Erhalt eines beträchtlichen Prozentsatzes der Anfangswerte der Zugfestigkeit (TENS STR), des Zugmoduls (TENS MOD), der Biegefestigkeit (FLEX STR), der interlaminaren Scherfestigkeit (ILS) und der interlaminaren Zugfestigkeit (ILT) für einen SiC/C-Verbundwerkstoff mit einer unbeschichteten, inhibierten Matrix.
Fig. 6 zeigt den außergewöhnlich guten Erhalt solcher Eigenschaften eines SiC/C-Verbundwerkstoffs mit einer inhibierten Matrix, der mit Silicium behandeltem Siliciumcarbid beschichtet ist, nach 500 Stunden eines zyklischen Oxidationstests, bei dem der Zyklus 2 Stunden bei 1204ºC (2200ºF), 18 Stunden bei 649ºC (1200ºF) und 16 Stunden bei 35ºC (95ºF) war und eine relative Feuchtigkeit von 95% vorlag.
Fig. 7 zeigt den außergewöhnlich guten Erhalt solcher Eigenschaften bei einem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit inhibierter Matrix, der mit mit Kohlenstoff beschichteten SiC-Fasern verstärkt ist, nach 200 Stunden eines zyklischen Oxidationstests, der für Fig. 6 oben beschrieben ist.
Die inhibierten SiC/C-Verbundwerkstoffe, die wir entwickelt haben, können zu großen komplizierten Formen verarbeitet werden. Die Verarbeitung grüner Verbundwerkstoffe kann durch herkömmliche Glas-/Epoxyformverfahren, die in der Luftfahrtindustrie sehr bekannt sind, durchgeführt werden. Obwohl C/C-Ver bundwerkstoffe auf ähnliche Weise hergestellt werden können, bieten sie nicht den hohen Grad an Oxidationsbeständigkeit, den inhibierte SiC/C-Materialien zeigen. Weiterhin sind SiC/C- Verbundwerkstoffe verträglicher mit keramischen Beschichtungen als C/C-Verbundwerkstoffe mit ähnlicher Festigkeit und weisen bessere Druck- und Interlaminareigenschaften auf als C/C-Verbundwerkstoffe.

Claims

1. Gegenstand, der Verbundwerkstoffe mit einer größeren Oxidationsbständigkeit als nicht-inhibierte Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe enthält und der verstärkende Fasern in einer Kohlenstoffmatrix enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

die verstärkenden Fasern weitgehend aus einer großen Anzahl Siliciumcarbid-haltiger Fasern in der Kohlenstoffmatrix bestehen und, daß

die Kohlenstoffmatrix einen Inhibitor enthält, ausgewählt aus Borcarbid, Bornitrid, Silciumtetraborid, Siliciumhexaborid, Zirconiumdiborid, feuerfesten Hafnium-, Vanadium-, Niob-, Tantal-, Chrom-, Molybdän-, Wolfram-Metallboriden und Gemischen hiervon.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Matrix zusätzlich einen Füllstoff, ausgewählt aus Kohlenstoff, Silciumcarbid, Siliciumnitrid und Mischungen hiervon, enthält.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei dieser mit einem anorganischen Material beschichtet ist, das eine Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten mit den Siliciumcarbid-haltigen Fasern aufweist.

4. Gegenstand nach Anspruch 3, wobei das anorganische Material ausgewählt wird aus Silicium, Siliciumcarbid, Sili ciumnitrid, Siliciumtriborid, Siliciumtetraborid, Siliciumhexaborid, Borcarbid, Aluminiumphosphat, einem Aluminiumsilicat, einem Borsilicat und Gemischen hiervon.

5. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Faser mit einem Material mit geringem Spannungswert (modulus) beschichtet wird.

6. Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Materialien mit geringem Spannungswert ausgewählt werden aus Kohlenstoff und Bornitrid.

7. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei dieser weiterhin ein geformtes Material für strukturelle (Kontruktions-) Anwendungen enthält, gebildet durch Imprägnieren der Siliciumcarbid-haltigen Fasern mit einem organischen Harz,

Wärmebehandlung (staging) zur Bildung eines Prepregs,

Formen und Aushärten des Prepregs, damit ein Verbundstoff gebildet wird,

Carbonisieren des gebildeten Verbundstoffs zur Bildung eines carbonisierten Teils, und

Verdichten des carbonisierten Teils durch Gasphaseninfiltration zur Bildung eines Hauteils.

8. Gegenstand nach Anspruch 7, wobei das organische Harz aus Phenol-, Epoxy- und Furanharz ausgewählt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Bauteils nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es beinhaltet:

(a) Imprägnieren einer großen Anzahl von Siliciumcarbid- Fasern mit einem oxidationshemmenden, Füllstoff-haltigen organischen Harz;

(b) teilweise Wärmebehandlung (staging) der imprägnierten Fasern, um das Harz auszuhärten, damit ein Prepreg gebildet wird;

(c) Formen und Aushärten des Prepregs, damit ein Verbundstoff gebildet wird;

(d) Umwandlung des Harzes im Verbundstoff zu Kohlenstoff, um ein carbonisiertes Teil zu bilden

und

(e) Verdichten des carbonisierten Teils durch Gasphaseninfiltration, um das Hauteil zu bilden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei es zusätzlich eine vorhergehende Beschichtung der Fasern beinhaltet.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Verdichtung durch CVI mit Kohlenstoff ausgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Verdichtung durch CVI mit Kohlenstoff, gefolgt von CVI mit Siliciumcarbid ausgeführt wird.