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WO2015086291A1 - Verfahren zur herstellung eines aus mit pyrolitischem kohlenstoff beschichteten kohlenstofffasern gebildeten verbundbauteils - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines aus mit pyrolitischem kohlenstoff beschichteten kohlenstofffasern gebildeten verbundbauteils Download PDF

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Publication number
WO2015086291A1
WO2015086291A1 PCT/EP2014/075254 EP2014075254W WO2015086291A1 WO 2015086291 A1 WO2015086291 A1 WO 2015086291A1 EP 2014075254 W EP2014075254 W EP 2014075254W WO 2015086291 A1 WO2015086291 A1 WO 2015086291A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carbon fibers
composite
composite component
preform
carbon
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/075254
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Weck
Steffen Weller
Ralf Gärtner
Original Assignee
Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh filed Critical Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh
Priority to EP14811786.4A priority Critical patent/EP3080325A1/de
Priority to US15/102,456 priority patent/US20160319410A1/en
Publication of WO2015086291A1 publication Critical patent/WO2015086291A1/de

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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a composite component and to a composite component, wherein the composite component is formed from a metal matrix composite of carbon fibers and a metal or a metal alloy.
  • the metal matrix composites used to form composite components are typically a continuous metal matrix having carbon fiber reinforcement inside it. Due to their high stability and low weight, these composite components are generally used in lightweight construction, for example in aircraft construction or in space travel.
  • the metal matrix reinforcing carbon fibers may be short cut fibers or endless filaments.
  • the short cut fibers may be added to a molten metal and potted.
  • it can easily come to inhomogeneities in the distribution of the fiber material.
  • an added amount of fibers within the composite component thus formed may undesirably distribute unevenly. This is particularly favored by the fact that carbon fibers compared to metal have a significantly different density.
  • carbon fiber reinforced carbon As a material for forming a composite component.
  • carbon fiber reinforced carbon first, carbon fibers are impregnated with, for example, a resin, whereby the resin is subsequently pyrolyzed.
  • a preform formed in this way can then no longer or no longer be completely infiltrated with a metal because the interstices between the carbon fibers are then almost completely filled with pyrocarbon, which then forms the matrix of the composite material.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a method for producing a composite component and a composite component produced by the method with improved strength properties.
  • the composite component is formed from a metal matrix composite of carbon fibers and a metal or a metal alloy, wherein a fiber composite is formed from the carbon fibers, wherein a preform is formed from the fiber composite, wherein the carbon fibers of the Fiber composite are coated to form the preform with pyrolytic carbon, and wherein the preform is at least partially infiltrated with marmo lzenem metal.
  • the mechanical strength properties of the composite component can accordingly be improved by first forming a fiber composite of the carbon fibers which has a defined geometry.
  • a dimensionally stable preform is formed by coating the carbon fibers of the fiber composite with pyrolytic carbon.
  • the carbon fibers are then completely surrounded by the pyrolytic carbon, the carbon fibers being bonded together at their respective mutual contact points by means of the pyrolytic carbon coating. Since the carbon fibers are coated with a comparatively thin layer of pyrolytic carbon, there still remains a space between the carbon fibers which ensures sufficient porosity of the preform suitable for infiltration with a molten metal.
  • the dimensionally stable preform can thus be infiltrated with the molten metal without the geometric shape of the preform is dissolved or changed.
  • the pyrolytic carbon forms a protective layer on the carbon fibers, which prevents the formation of carbides, and thus a dissolution of the carbon fibers.
  • the pyrolytic carbon coating provides improved wettability of the carbon fibers. Overall, such a geometric orientation of the Carbon fibers are fixed, the carbon fibers themselves are preserved and adhere to each other.
  • a composite component produced by the method according to the invention then has improved mechanical strength properties compared to a conventional composite component, also with regard to a comparable component weight.
  • the pyrolytic carbon can be deposited on the carbon fibers from the gas phase. This makes it possible to coat the carbon fibers with a comparatively thin layer of pyrolytic carbon. Further, a layer thickness in a coating from the gas phase is particularly easy to adjust as needed. It is also possible to coat fiber composites with virtually arbitrary geometries and carbon fiber densities with pyrolytic carbon, since the gas in question can penetrate the fiber composite well.
  • the pyrolytic carbon may be formed as a deposit formed on the carbon fibers by a CVD method or a CVI method. The coating of the carbon fibers with pyrolytic carbon can be carried out so easily. It is also possible to provide several treatment steps in which the fiber composite is coated by means of the CVD or / and CVI method with pyrolytic carbon or so-called glassy carbon by deposition.
  • the coating with the pyro lytic carbon on the carbon fibers by pyrolysis of a thin resin or pitch layer on the carbon fibers can be formed.
  • a part size is due to a wall thickness of the fiber composite or composite component in a coating from the gas phase due to a penetration of the fiber composite with gas and a regularly process-related limited size of a reactor chamber for gas phase coating.
  • the coating with the thin, low-viscous, liquid resin layer makes it almost possible manufacture any size composite components.
  • the pyrolysis can take place in a conventional pyrolysis furnace whose size is not limited by the process.
  • a thickness of the resin or pitch layer may be made smaller than a thickness of the carbon fibers. This may be necessary in order to ensure sufficient porosity of the preform for infiltration. In particular, gaps between the carbon fibers are then not completely filled with resin or pyrocarbon, so that coherent interspaces are formed.
  • the thickness of the resin layer may be formed 50 percent smaller, and more preferably 80 percent smaller than a thickness of the carbon fibers.
  • the resin layer can be prepared simply by soaking the fiber composite in a highly diluted phenolic resin solution, e.g. B. Phenol resin diluted with ethanol or acetone. It is thus possible for liquid resin to fully penetrate into the fiber composite, regardless of a wall thickness.
  • the impregnation with resin can also meet under a vacuum atmosphere.
  • a coating of the carbon fibers can be produced from pyrolytic, glassy carbon.
  • the coated carbon fibers can be provided with a further coating of silicon carbide.
  • Carbon fibers coated in this way, or a braid or fabric of carbon fibers forming the preform also exhibit increased rigidity, which is particularly advantageous for the subsequent process step of infiltration.
  • It may further be provided to form an at least partially unidirectional orientation of the carbon fibers of the fiber composite.
  • continuous filaments can be formed into a desired geometric shape by winding or any other technique. In principle, however, it is also possible to use short-cut fibers without a specific spatial orientation for a coating with pyrolytic carbon.
  • the short cut fibers can be in the form of a fiber mat or a nonwoven, wherein the fiber mat or the nonwoven itself can be used for the geometric shaping of the preform.
  • fiber fabric mats or filament yarns can be used to form an optionally multi-layer fiber composite.
  • the fiber composite can be provided to compress the fiber composite before the formation of the preform by coating.
  • the carbon fibers lie close together and a volume fraction of carbon fibers in the composite component is substantially increased.
  • the fiber composite can be added during compression auxiliaries, which can adhere the fiber composite or the carbon fibers to each other and so provisionally fix, without significantly reduce a porosity of the fiber composite.
  • the fiber composite can be formed as a spatially oriented support structure of the composite component, which is adapted to a load case of the composite component.
  • the fiber composite can be arranged in the composite component or the carbon fibers can be aligned in the composite component, that in a proposed use of the composite component forces or stresses within the composite component substantially in the direction of the longitudinal extent of the carbon fibers extend to a maximum mechanical To achieve strength of the composite component.
  • a composite component for example primarily tensile loaded, can then have a support structure made of carbon fibers, which in the direction of the tensile stresses spatially oriented.
  • the carbon fibers of the fiber composite can also be arranged in a combination of different spatial orientations.
  • Composite components with particularly complex geometric shapes are particularly easy to produce when a support structure of the composite component is formed by a plurality of preforms.
  • individual preforms can be formed, which are assembled to form a support structure of the composite component.
  • the preforms can then engage in one another in a form-fitting manner or can also be arranged independently of one another within the composite component. This then makes it possible to produce composite components with virtually any geometry, since any geometric restrictions in the formation of fiber composite from carbon fibers need not necessarily be taken into account. It is also conceivable a preform before an infiltration mechanically, for
  • Example machined to obtain a desired geometric shape of the support structure or the preform This is particularly possible because the preform is dimensionally stable by the coating with pyrolytic carbon.
  • An infiltration of the preform can be done with aluminum, titanium, magnesium, copper or an alloy of one of these metals.
  • any metal or alloy which has a melting point which does not lead to the dissolution of the pyrolytic carbon coating of the carbon fibers is suitable for infiltration.
  • aluminum is particularly suitable because of its low weight and good processability as a matrix material for lightweight composite components.
  • the preform can be formed with an open pore structure. So it becomes possible that the preform easily with the molten Metal can be infiltrated. At least partially closed pore structures prevent complete infiltration of the preform with metal and have the formation of a negative impact on mechanical strength of the composite component impacting voids. Thus, the preform can be completely infiltrated with molten metal. Thus, a coherent matrix of metal can then be obtained, which completely fills substantially all interstices of the fiber composite of the carbon fibers of the preform. In a particularly simple variant of the method, it may be provided to infiltrate the preform only by immersion in a molten metal with the marmo lzenen metal.
  • the preform can remain in the molten metal for a comparatively long time since a dissolution of the carbon fibers or a carbide formation due to the coating of pyrolytic carbon is prevented. It is also possible to infiltrate the preform several times with molten metal in order to achieve complete infiltration.
  • a composite component can be cast with a desired geometric shape, wherein the preform can then be infiltrated during the casting process with ausmo lzenem metal.
  • one or more preforms can be inserted in the manner of a core into a casting mold, wherein the preform can fill the casting mold completely or even only partially.
  • the preform can be arranged in the casting mold so that the preform is infiltrated only partially with metal, that is, a portion of the composite component thus obtained can consist exclusively of coated carbon fibers without a metal matrix, wherein a further portion of the composite component coated carbon fibers with a metal matrix includes.
  • Composite component may also have a section, the is formed exclusively of the matrix material or the metal. This makes it possible to produce composite components which have component sections adapted to load cases or specific applications.
  • An infiltration of the preform can be done by die casting, compression molding or vacuum casting.
  • particularly dimensionally stable composite components can be produced.
  • Vacuum casting makes it easy to achieve complete infiltration of the preform with metal. Because the preform is dimensionally stable, it can be integrated particularly easily into the aforementioned casting methods for producing the composite component.
  • the composite member may be formed to have a metal content of more than 50% by volume. This is particularly advantageous if, according to the intended use of the composite component, a higher metal content has a particularly favorable effect on its properties.
  • the composite component may be formed to have a carbon fiber content of more than 50% by volume. This is particularly advantageous if an intended use of the composite component is favored by a particularly high proportion of carbon fiber in the composite component.
  • the composite component is formed so that the carbon fibers are homogeneously distributed within the composite component.
  • the composite component then consists of a homogeneous metal matrix composite material, apart from a fiber orientation, regular material properties.
  • the composite component can, however, also be designed so that the carbon fibers are distributed heterogeneously within the composite component. This means that sections of the composite component have a more or may have a lower proportion of carbon fibers. Due to the dimensionally stable preform, it is possible to selectively determine or predetermine the proportion of carbon fibers within the composite component as well as the spatial orientation of the carbon fibers in order to influence the mechanical properties of the composite component.
  • the composite component according to the invention is formed from a metal matrix composite of carbon fibers and a metal or a metal alloy, wherein from the carbon fibers a fiber composite is formed, wherein from the fiber composite, a preform is formed, wherein the carbon fibers of the fiber composite to form the preform with pyrolytic Carbon are coated, wherein the preform is at least partially infiltrated with marmo lzenem metal.
  • the composite component according to the invention can be produced by the method according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil, wobei das Verbundbauteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet wird, wobei aus den Kohlenstofffasern ein Faserverbund ausgebildet wird, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet wird, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vorformlings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden, wobei der Vorformling zumindest teilweise mit geschmolzenem Metall infiltriert wird.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES PYROLITICHE
KOHLENSCHICHTE/KOHLENFASERN VERBUNDBAUTEILS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein Verbundbauteil, wobei das Verbundbauteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet wird.
Die zur Ausbildung von Verbundbauteilen verwendeten Metallmatrix- Verbundwerkstoffe bestehen regelmäßig aus einer zusammenhängenden Metallmatrix mit einer aus Kohlenstofffasern gebildeten Verstärkung in ihrem Inneren. Diese Verbundbauteile finden aufgrund ihrer hohen Stabilität bei zugleich geringem Gewicht allgemein Verwendung im Leichtbau, wie zum Beispiel im Flugzeugbau oder in der Raumfahrt. Die die Metallmatrix verstärkenden Kohlenstofffasern können Kurzschnittfasern oder auch Endlosfasern sein. Die Kurzschnittfasern können beispielsweise einer Metallschmelze zugesetzt und mit vergossen werden. Dabei kann es jedoch leicht zu Inhomogenitäten bei der Verteilung des Fasermaterials kommen. So kann sich j e nach Gestalt der Form oder nach Art des angewendeten Gießverfahrens eine zugegebene Menge Fasern innerhalb des so ausgebildeten Verbundbauteils in unerwünschter Weise ungleichmäßig verteilen. Dies wird insbesondere auch dadurch begünstigt, dass Kohlenstofffasern gegenüber Metall eine wesentlich andere Dichte aufweisen.
Beim Vergießen oder Infiltrieren von Kohlenstofffasern mit beispiels- weise Aluminium kann es darüber hinaus zur Bildung von Carbiden bzw. Aluminiumcarbid kommen, was bei einem längeren Verweilzeitraum der Kohlenstofffasern in einer Aluminiumschmelze zur Auflö sung der Kohlenstofffasern führt, was wiederum die mechanischen Festigkeitseigenschaften des so ausgebildeten Verbundbauteils verschlechtert. Weiter ist es bekannt, kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff als Werkstoff zur Ausbildung eines Verbundbauteils zu verwenden. Bei einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff werden zunächst Kohlenstofffasern mit beispielsweise einem Harz getränkt, wobei das Harz nachfo lgend pyrolysiert wird. Ein so ausgebildeter Vorformling kann dann allerdings nicht mehr oder nicht mehr vollständig mit einem Metall infiltriert werden, weil die Zwischenräume zwischen den Kohlestofffasern dann nahezu vollständig von Pyrokohlenstoff ausgefüllt sind, der dann die Matrix des Verbundwerkstoffes bildet. Gleichwohl ist es möglich einen kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff bzw. ein derartiges Verbundbauteil mit einem Metall zu beschichten, wobei dann j edoch nicht die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Metallmatrix- Verbundwerkstoffs erzielt werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Verbundbauteil mit verbesserten Festigkeitseigenschaften vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils wird das Verbundbauteil aus einem Metallmatrix- Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet, wobei aus den Kohlenstofffasern ein Faserver- bund ausgebildet wird, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet wird, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vorformlings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden, und wobei der Vorformling zumindest teilsweise mit geschmo lzenem Metall infiltriert wird. Die mechanischen Festigkeitseigenschaften des Verbundbauteils können demnach dadurch verbessert werden, dass aus den Kohlestofffasern zunächst ein Faserverbund ausgebildet wird, der eine definierte Geometrie aufweist. Unerwünschte Inhomogenitäten der Kohlenstofffasern im Verbundbauteil können so vermieden werden. Aus dem Faserverbund wird ein formstabiler Vorformling dadurch ausgebildet, dass die Kohlenstofffasern des Faserverbunds mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden. Die Kohlenstofffasern werden dann vollständig von dem pyroly- tischen Kohlenstoff umgeben, wobei die Kohlenstofffasern an ihren j eweiligen gegenseitigen Kontaktpunkten mittels der Beschichtung aus dem pyrolytischen Kohlenstoff miteinander verbunden werden. Da die Kohlenstofffasern mit einer vergleichsweise dünnen Schicht von pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden, verbleibt zwischen den Kohlestofffasern noch ein Zwischenraum, der eine ausreichende, für eine Infiltration mit einem geschmolzenen Metall geeignete Porosität des Vorformlings gewährleistet. Der formstabile Vorformling kann so mit dem geschmo lzenen Metall infiltriert werden, ohne dass die geometrische Form des Vorformlings aufgelö st oder verändert wird. Auch bildet der pyrolytische Kohlenstoff eine Schutzschicht auf den Kohlenstofffasern aus, die eine Bildung von Carbiden, und damit ein Auflö sen der Kohlenstofffasern, verhindert. Darüber hinaus bewirkt die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff eine verbesserte Benetzbarkeit der Kohlenstofffasern. Insgesamt kann so eine geometrische Orientierung der Kohlenstofffasern fixiert werden, wobei die Kohlenstofffasern selbst erhalten bleiben und aneinander anhaften. Ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil weist dann gegenüber einem herkömmlichen Verbundbauteil verbesserte mechanische Festigkeitsei- genschaften, auch im Bezug auf ein vergleichbares Bauteilgewicht, auf.
Im Rahmen des Verfahrens kann der pyrolytische Kohlenstoff auf den Kohlenstofffasern aus der Gasphase abgeschieden werden. Dadurch wird es möglich die Kohlenstofffasern mit einer vergleichsweise dünnen Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff zu beschichten. Weiter ist eine Schichtdicke bei einer Beschichtung aus der Gasphase je nach Bedarf besonders einfach einstellbar. Auch ist es möglich Faserverbünde mit nahezu beliebigen Geometrien und Kohlenstofffaserdichten mit pyrolytischem Kohlenstoff zu beschichten, da das betreffende Gas den Faserverbund gut durchdringen kann. Vorzugsweise kann der pyrolytische Kohlenstoff als eine mittels eines CVD-Verfahrens oder eines CVI-Verfahrens auf den Kohlenstofffasern erzeugte Abscheidung ausgebildet werden. Die Beschichtung der Kohlenstofffasern mit pyrolytischem Kohlenstoff kann so besonders einfach durchgeführt werden. Auch ist es möglich mehrere Behandlungsschritte vorzusehen, bei denen der Faserverbund mittels des CVD- oder/und CVI- Verfahrens mit pyrolytischem Kohlenstoff bzw. sogenannten Glaskohlenstoff durch Abscheidung beschichtet wird.
In einer Alternativen Variante des Verfahrens kann die Beschichtung mit dem pyro lytischen Kohlenstoff auf den Kohlenstofffasern durch Pyrolyse einer dünnen Harz- oder Pechschicht auf den Kohlenstofffasern ausgebildet werden. Eine Teilegröße wird durch eine Wandungsdicke des Faserverbunds bzw. Verbundbauteils bei einer Beschichtung aus der Gasphase aufgrund einer Durchdringung des Faserverbundes mit Gas und einer regelmäßig prozessbedingt begrenzten Größe einer Reaktorkammer zur Gasphasenbeschichtung bedingt. Durch die Beschichtung mit der dünnen, niedrig viskosen, flüssigen Harzschicht wird es möglich nahezu beliebig große Verbundbauteile herzustellen. Weiter kann die Pyrolyse in einem gebräuchlichen Pyrolyseofen erfolgen, dessen Größe nicht prozessbedingt begrenzt ist.
Vorzugsweise kann eine Dicke der Harz- oder Pechschicht kleiner als eine Dicke der Kohlenstofffasern ausgebildet werden. Dies kann insofern erforderlich sein, um eine ausreichende Porosität des Vorformlings zur Infiltration zu gewährleisten. Insbesondere sind dann Zwischenräume zwischen den Kohlestofffasern nicht vollständig von Harz bzw. Pyrokoh- lenstoff ausgefüllt, so dass zusammenhängende Zwischenräume ausge- bildet werden. Bevorzugt kann die Dicke der Harzschicht 50 Prozent kleiner und besonders bevorzugt 80 Prozent kleiner als eine Dicke der Kohlenstofffasern ausgebildet werden.
Die Harzschicht kann einfach durch Tränken des Faserverbunds in einer stark verdünnten Phenolharzlösung, z. B . Pheno lharz verdünnt mit Ethano l oder Aceton, ausgebildet werden. So ist es möglich, dass flüssiges Harz in den Faserverbund, unabhängig von einer Wandungsdicke, vo llständig eindringen kann. Das Tränken mit Harz kann auch unter einer Vakuumatmosphäre erfo lgen. Bei einer Nachfo lgenden Pyrolyse durch zum Beispiel Aushärten und Verkoken bzw. Pyro lysieren bei ca. 1000 bis 2000° C kann so eine Beschichtung der Kohlenstofffasern aus pyrolyti- schen, glasartigen Kohlenstoff erzeugt werden.
Vorteilhaft können die beschichteten Kohlenstofffasern mit einer weiteren Beschichtung aus Siliziumcarbid versehen werden. So wird es möglich die mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils in gegebenen- falls gewünschter Weise zu verändern, und, beispielsweise bei einer Verwendung von Aluminium als Matrixmaterial, eine unerwünschte chemische Reaktion des Aluminiums bei einer Infiltration zu vermeiden. Auch weisen derart beschichtete Kohlenstofffasern bzw. ein den Vor- formling ausbildendes Geflecht oder Gewebe aus Kohlenstofffasern eine erhöhte Steifigkeit auf, die für den nachfolgenden Verfahrensschritt der Infiltration besonders vorteilhaft ist. Weiter kann es vorgesehen sein, eine zumindest teilweise unidirektionale Orientierung der Kohlenstofffasern des Faserverbundes auszubilden. Beispielsweise können Endlosfasern durch Wickeln oder eine andere beliebige Technik in eine gewünschte geometrische Form gebracht werden. Prinzipiell ist es j edoch auch möglich Kurzschnittfasern ohne eine bestimmte räumliche Orientierung für eine Beschichtung mit pyroly- tischem Kohlenstoff zu verwenden. Die Kurzschnittfasern können in Form einer Fasermatte oder eines Vlies vorliegen, wobei die Fasermatte bzw. das Vlies selbst zur geometrischen Formgebung des Vorformlings verwendet werden kann. Bevorzugt können j edoch Fasergewebematten oder Filamentgarne zur Ausbildung eines gegebenenfalls mehrlagigen Faserverbundes verwendet werden.
Weiter kann vorgesehen sein den Faserverbund vor der Ausbildung des Vorformlings durch Beschichten zu verpressen. So kann erreicht werden, dass die Kohlenstofffasern dicht aneinander anliegen und ein Volumenanteil an Kohlenstofffasern im Verbundbauteil wesentlich erhöht wird. Dem Faserverbund können beim Verpressen Hilfsstoffe zugegeben werden, die den Faserverbund bzw. die Kohlenstofffasern aneinander anhaften lassen und so vorläufig fixieren, ohne eine Porosität des Faser- Verbundes wesentlich herabzusetzen.
Besonders bevorzugt kann der Faserverbund als eine räumlich orientierte Tragstruktur des Verbundbauteils ausgebildet werden, die an einen Lastfall des Verbundbauteils angepasst ist. Idealerweise kann der Faserverbund so im Verbundbauteil angeordnet werden bzw. die Kohlenstoff- fasern können so im Verbundbauteil ausgerichtet werden, dass bei einer vorgesehenen Verwendung des Verbundbauteils Kräfte bzw. Spannungen innerhalb des Verbundbauteils im Wesentlichen in Richtung der Längserstreckung der Kohlenstofffasern verlaufen, um eine größtmögliche mechanische Festigkeit des Verbundbauteils zu erzielen. Ein beispiels- weise primär zugbelastetes Verbundbauteil kann dann eine Tragstruktur aus Kohlenstofffasern aufweisen, die in Richtung der Zugspannungen räumlich orientiert sind. Je nach vorgesehenem Lastfall des Verbundbauteils können die Kohlenstofffasern des Faserverbundes auch in einer Kombination von unterschiedlichen räumlichen Orientierungen angeordnet sein. Verbundbauteile mit besonders komplexen geometrischen Formen werden besonders einfach herstellbar, wenn eine Tragstruktur des Verbundbauteils durch eine Mehrzahl von Vorformlingen ausgebildet wird. So können einzelne Vorformlinge ausgebildet werden, die zu einer Tragstruktur des Verbundbauteils zusammengesetzt werden. Beispielsweise können die Vorformlinge dann formschlüssig ineinander greifen oder auch unabhängig voneinander innerhalb des Verbundbauteils angeordnet werden. Damit wird es dann möglich Verbundbauteile mit nahezu beliebigen Geometrien herzustellen, da eventuelle geometrische Beschränkungen bei der Ausbildung des Faserverbundes aus Kohlenstofffasern nicht mehr zwangsläufig berücksichtigt werden müssen. Auch ist es denkbar einen Vorformling vor einer Infiltration mechanisch, zum
Beispiel spanend zu bearbeiten um eine gewünschte geometrische Form der Tragstruktur bzw. des Vorformlings zu erhalten. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass der Vorformling durch die Beschichtung mit pyrolytischem Kohlenstoff formstabil ist.
Eine Infiltration des Vorformlings kann mit Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer oder einer Legierung eines dieser Metalle erfolgen. Prinzipiell ist für eine Infiltration j edes Metall bzw. jede Legierung geeignet, das bzw. die einen Schmelzpunkt aufweist, der nicht zur Auflö sung der pyrolytischen Kohlenstoffbeschichtung der Kohlenstofffasern führt.
Insbesondere Aluminium eignet sich besonders aufgrund seines geringen Gewichts und seiner guten Verarbeitbarkeit als Matrixwerkstoff für Leichtbau- Verbundbauteile.
Wesentlich für die Herstellung eines Verbundbauteils ist, dass der Vorformling mit einer offenen Porenstruktur ausgebildet werden kann. So wird es möglich, dass der Vorformling leicht mit dem geschmolzenen Metall infiltriert werden kann. Zumindest teilweise geschlossene Porenstrukturen verhindern eine vollständige Infiltrierung des Vorformlings mit Metall und haben eine Bildung von sich negativ auf eine mechanische Festigkeit des Verbundbauteils auswirkenden Lunkern zur Folge . Demnach kann der Vorformling vollständig mit geschmolzenem Metall infiltriert werden. So kann dann eine zusammenhängende Matrix aus Metall erhalten werden, die im Wesentlichen alle Zwischenräume des Faserverbundes der Kohlenstofffasern des Vorformlings vollständig ausfüllt. In einer besonders einfachen Variante des Verfahrens kann es vorgesehen sein, den Vorformling lediglich durch Eintauchen in eine Metallschmelze mit dem geschmo lzenen Metall zu infiltrieren. Der Vorformling kann dabei vergleichsweise lange in der Metallschmelze verbleiben, da eine Auflö sung der Kohlenstofffasern bzw. eine Car- bidbildung aufgrund der Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff verhindert wird. Auch besteht die Möglichkeit den Vorformling mehrfach mit geschmo lzenem Metall zu infiltrieren, um eine vollständige Infiltration zu erreichen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich den Vorformling in einer Gießform anzuordnen. So kann ein Verbundbauteil mit einer gewünschten geometrischen Form gegossen werden, wobei der Vorformling dann während des Gießvorgangs mit geschmo lzenem Metall infiltriert werden kann. Beispielsweise können ein oder mehrere Vor- formlinge in Art eines Kerns in eine Gießform eingelegt werden, wobei der Vorformling die Gießform vo llständig oder auch nur teilweise ausfüllen kann. Weiter kann der Vorformling so in der Gießform angeordnet werden, dass der Vorformling nur abschnittsweise mit Metall infiltriert wird, das heißt, ein Abschnitt des so erhaltenen Verbundbauteils kann ausschließlich aus beschichteten Kohlenstofffasern ohne Metallmatrix bestehen, wobei ein weiterer Abschnitt des Verbundbauteils beschichtete Kohlenstofffasern mit einer Metallmatrix umfasst. Das
Verbundbauteil kann darüber hinaus auch einen Abschnitt aufweisen, der ausschließlich aus dem Matrixmaterial bzw. dem Metall ausgebildet ist. So wird es möglich Verbundbauteile herzustellen, die an Belastungsfälle oder bestimmte Anwendungen angepasste Bauteilabschnitte aufweisen.
Eine Infiltration des Vorformlings kann mittels Druckguss, Pressgießen oder Vakuumgießen erfolgen. Beispielsweise sind mittels Druckguss besonders maßhaltige Verbundbauteile herstellbar. Durch das Vakuumgießen kann einfach erreicht werden, dass eine vollständige Infiltration des Vorformlings mit Metall erfolgt. Dadurch, dass der Vorformling formstabil ist, lässt er sich besonders einfach in die vorgenannten Gieß- verfahren zur Herstellung des Verbundbauteils integrieren.
In einer Ausführungsform des Verfahrens kann das Verbundbauteil so ausgebildet werden, das es einen Metallanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn entsprechend der vorgesehenen Verwendung des Verbundbauteils sich ein höherer Metallanteil besonders günstig auf dessen Eigenschaften auswirkt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Verbundbauteil so ausgebildet werden, das es einen Kohlenstofffaseranteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine vorgesehene Verwendung des Verbundbauteils durch einen besonders hohen Kohlenstofffaseranteil im Verbundbauteil begünstigt wird.
Auch kann es vorteilhaft sein, wenn das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass die Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils homogen verteilt sind. Das Verbundbauteil besteht dann aus einem homogenen Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit, von einer Faserorientierung abgesehen, regelmäßigen Materialeigenschaften.
Das Verbundbauteil kann j edoch auch so ausgebildet werden, dass die Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils heterogen verteilt sind. Dies bedeutet, dass Abschnitte des Verbundbauteils einen mehr oder weniger großen Anteil an Kohlenstofffasern aufweisen können. Aufgrund des formstabil ausgebildeten Vorformlings ist es möglich den Anteil der Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils sowie auch die räumliche Orientierung der Kohlenstofffasern gezielt festzulegen bzw. vorzu- bestimmen, um die mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils zu beeinflussen.
Das erfindungsgemäße Verbundbauteil ist aus einem Metallmatrix- Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer MetalUegierung gebildet, wobei aus den Kohlenstofffasern ein Faserver- bund ausgebildet ist, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet ist, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vorformlings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet sind, wobei der Vorformling zumindest teilweise mit geschmo lzenem Metall infiltriert ist. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verbundbauteils wird auf die Vorteilsbeschreibungen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Weitere Ausführungsformen des Verbundbauteils ergeben sich aus den auf dem Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, wobei das Verbundbauteil aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet wird,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass aus den Kohlenstofffasern ein Faserverbund ausgebildet wird, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet wird, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vor formlings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet werden, wobei der Vorformling zumindest teilweise mit geschmolzenem Metall infiltriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der pyrolytische Kohlenstoff auf den Kohlenstofffasern aus der Gasphase abgeschiedenen wird. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der pyrolytische Kohlenstoff als eine mittels eines CVD- Verfahrens oder eines CVI-Verfahrens auf den Kohlenstofffasern zeugte Abscheidung ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der pyrolytische Kohlenstoff auf den Kohlenstofffasern durch Pyrolyse einer dünnen Harz- oder Pechschicht auf den Kohlenstofffasern ausgebildet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Dicke der Harz- oder Pechschicht kleiner als eine Dicke der Kohlenstofffasern ausgebildet wird. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Harzschicht durch Tränken des Faserverbunds in einer verdünnten Phenolharzlösung ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die beschichteten Kohlenstofffasern mit einer weiteren Be- schichtung aus Siliziumkarbid versehen werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass eine zumindest teilweise unidirektionale Orientierung der Kohlenstofffasern des Faserverbundes ausgebildet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Faserverbund verpresst wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Faserverbund als eine räumlich orientierte Tragstruktur des Verbundbauteils ausgebildet wird, die an einen Lastfall des Verbundbauteils angepasst ist.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass eine Tragstruktur des Verbundbauteils durch eine Mehrzahl von Vorformlingen ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Infiltration mit Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer oder einer Legierung eines dieser Metalle erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Vorformling mit einer offenen Porenstruktur ausgebildet wird.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Vorformling vollständig mit geschmolzenem Metall infiltriert wird.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass der Vorformling in einer Gießform angeordnet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass die Infiltration mittels Druckguss, Pressgießen oder Vakuumgießen erfolgt.
17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass es einen Metallanteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass es einen Kohlenstofffaseranteil von mehr als 50 Volumenprozent aufweist.
19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass die Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils homogen verteilt sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass das Verbundbauteil so ausgebildet wird, dass die Kohlenstofffasern innerhalb des Verbundbauteils heterogen verteilt sind. Verbundbauteil, gebildet aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und einem Metall oder einer Metalllegierung, dadurch g e k e nn z e i c hn e t ,
dass aus den Kohlenstofffasern ein Faserverbund ausgebildet ist, wobei aus dem Faserverbund ein Vorformling ausgebildet ist, wobei die Kohlenstofffasern des Faserverbunds zur Ausbildung des Vorform- lings mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet sind, wobei der Vorformling zumindest teilweise mit geschmolzenem Metall infiltriert ist.
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