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AT527691A1 - Precursor material for a fiber-ceramic composite - Google Patents

Precursor material for a fiber-ceramic composite Download PDF

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AT527691A1
AT527691A1 ATA50884/2023A AT508842023A AT527691A1 AT 527691 A1 AT527691 A1 AT 527691A1 AT 508842023 A AT508842023 A AT 508842023A AT 527691 A1 AT527691 A1 AT 527691A1
Authority
AT
Austria
Prior art keywords
precursor material
proportion
fibers
inorganic oxides
inorganic
Prior art date
Application number
ATA50884/2023A
Other languages
German (de)
Inventor
Hofer Christoph
Tribuser Lukas
Wagner Dr -Ing Peter
Zenz Dr Christiane
Original Assignee
Isovolta
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 Isovolta filed Critical Isovolta
Priority to ATA50884/2023A priority Critical patent/AT527691A1/en
Priority to PCT/EP2024/081035 priority patent/WO2025098921A1/en
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Abstract

Ein Vormaterial zur Verwendung zum Herstellen eines Faser- Keramik-Verbundes enthält 40 Gew.-% bis 55 Gew.-% anorganische Fasern, 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% anorganische Oxide, 1,5 Gew.-% bis 25 Gew.-% Polyvinylalkohol und 2,5 Gew.-% bis 12,5 Gew.-% Wasser, wobei die anorganischen Oxide zumindest 50 Gew.-% SiO2 und maximal 50 Gew.-% Al2O3 enthalten.A precursor material for use in producing a fiber-ceramic composite contains 40 wt.% to 55 wt.% inorganic fibers, 25 wt.% to 45 wt.% inorganic oxides, 1.5 wt.% to 25 wt.% polyvinyl alcohol and 2.5 wt.% to 12.5 wt.% water, wherein the inorganic oxides contain at least 50 wt.% SiO2 and a maximum of 50 wt.% Al2O3.

Description

Verbundes. network.

Es ist bekannt, anorganische Fasern zur Verstärkung von Keramik einzusetzen, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Faser-Keramik-Verbundes und somit dessen Produkteigenschaften wie Dehnbarkeit, Bruchzähigkeit und It is known that inorganic fibers can be used to reinforce ceramics, which improves the mechanical properties of the fiber-ceramic composite and thus its product properties such as ductility, fracture toughness and

Thermoschockbeständigkeit erheblich verbessert werden. Thermal shock resistance can be significantly improved.

Als anorganische Fasern werden beispielsweise solche überwiegend aus Al20:3 verwendet, die bei der Herstellung des Faser-Keramik-Verbundes in eine Matrix überwiegend aus Al203; As inorganic fibers, for example, those predominantly made of Al2O:3 are used, which are incorporated into a matrix predominantly made of Al2O3;

eingebettet werden. be embedded.

Weiters ist es bekannt, die Fasern und auch die Matrix im Verbund aus einer Mischung aus AlL‚,O3 und SiO; bereit zu stellen. Bei einer derartigen Mischung muss allerdings ein Kompromiss zwischen den Eigenschaften, die durch die jeweilige Oxid-Furthermore, it is known to provide the fibers and also the matrix in a composite made of a mixture of AlL‚,O3 and SiO;. However, with such a mixture, a compromise must be made between the properties that are determined by the respective oxide

Komponente erzeugt werden, gefunden werden. Component can be found.

Mit faserverstärkter Keramik steht ein Werkstoff zur Verfügung, der gewichtige Nachteile konventioneller, technischer Keramik - nämlich deren geringe Bruchzähigkeit und hohe Temperaturempfindlichkeit - nicht mehr aufweist. Anwendungsentwicklungen haben sich folglich auf Gebiete konzentriert, in denen Zuverlässigkeit bei hohen, für Metalle nicht mehr zugänglichen, Temperaturen - insbesondere über 1000°C - bei abrasiven, d.h. Verschleiß erzeugenden Belastungen gefordert sind. Folgende Schwerpunkte haben sich Fiber-reinforced ceramics provide a material that eliminates the significant disadvantages of conventional technical ceramics—namely, their low fracture toughness and high temperature sensitivity. Application developments have therefore focused on areas where reliability is required at high temperatures beyond the reach of metals—especially above 1000°C—under abrasive, i.e., wear-inducing loads. The following areas have been emphasized:

in Entwicklungen und Anwendungen bisher ergeben: in developments and applications so far:

— Bauteile für die Brennertechnik und Heißgasführungen aus oxidischer Verbundkeramik. — Components for burner technology and hot gas guides made of oxide composite ceramics.

—- Bremsscheiben für hoch belastete Scheibenbremsen, die auf der Reibfläche extremen Thermoschockbedingungen ausgesetzt sind. —- Brake discs for highly loaded disc brakes that are exposed to extreme thermal shock conditions on the friction surface.

—- Komponenten für Gleitlager mit hoher Korrosions- und —- Components for plain bearings with high corrosion and

Verschweißbelastung. Welding load.

Nachteilig bei bekannten, faserverstärkten Keramiken ist Jedoch, dass diese hohe Herstellungskosten verursachen. Dies unter anderem deshalb, da das entsprechende Vormaterial, sogenannte Grünkörper, bei Temperaturen von ca. 1.300 °C gesintert werden muss, um einen im Einsatzzustand verbaubaren Faser-Keramik-Verbund, sogenannte Weißkörper, als Endprodukt herzustellen. Die hohen Herstellungskosten sind insbesondere durch den Umstand geschuldet, dass es bislang nicht möglich war, ungesinterte Bauteile, d.h. Grünkörper, als Endprodukt zu verwenden, da diese bislang nicht formstabil waren und im Einsatzzustand verbaut werden konnten. Lediglich die gesinterten Weißkörper konnten verbaut und zu However, a disadvantage of known fiber-reinforced ceramics is that they entail high production costs. This is due, among other things, to the fact that the corresponding raw material, so-called green bodies, must be sintered at temperatures of approximately 1,300 °C in order to produce a fiber-ceramic composite, so-called white bodies, as the final product that can be installed in the operational state. The high production costs are due in particular to the fact that it was not previously possible to use unsintered components, i.e. green bodies, as the final product, since these were not dimensionally stable and could not be installed in the operational state. Only the sintered white bodies could be installed and

Isolationszwecken verwendet werden. used for insulation purposes.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Vormaterial für einen Faser-Keramik-Verbund mit oxidischer Matrix und einer oxidischen und/oder mineralischen Faser bereit zu stellen, der im Vergleich zu einem bekannten, insbesondere aus Oxiden The object of the invention is therefore to provide a precursor material for a fiber-ceramic composite with an oxidic matrix and an oxidic and/or mineral fiber, which, in comparison to a known material, in particular made of oxides

hergestellten Verbund, nicht nur optimierte Eigenschaften manufactured composite, not only optimized properties

auch bereits als Grünkörper verwendet werden kann. can also be used as a green body.

Diese Aufgabe wird durch ein Vormaterial gelöst, das die Merkmale des Anspruches 1 aufweist, durch ein Verfahren, das die Merkmale des Anspruches 12 aufweist, und durch eine This object is achieved by a precursor material having the features of claim 1, by a method having the features of claim 12, and by a

Verwendung eines Vormaterials gemäß Anspruch 16. Use of a raw material according to claim 16.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche,. Preferred and advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Q Q

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, 100 Gew.-% Vormaterial —- 40 Gew.-% bis 55 Gew.-% anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern und/oder Fasern aus Basalt, Si0O>» und/oder AlL1203, —- 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% anorganische Oxide, —- 1,5 Gew.-% bis 25 Gew.-% Polyvinylalkohol (PVA) und —- 2,5 Gew.-% bis 12,5 Gew.-% Wasser enthalten According to the invention, 100 wt.% of starting material contains -- 40 wt.% to 55 wt.% inorganic fibers, in particular glass fibers and/or fibers made of basalt, SiO2 and/or Al2O3, -- 25 wt.% to 45 wt.% inorganic oxides, -- 1.5 wt.% to 25 wt.% polyvinyl alcohol (PVA) and -- 2.5 wt.% to 12.5 wt.% water

und dass 100 Gew.-% der anorganischen Oxide zumindest 50 Gew.-and that 100 wt.% of the inorganic oxides contain at least 50 wt.

Q Q

% SLO2 und maximal 50 Gew.-% Al2O3 enthalten. % SLO2 and a maximum of 50 wt.% Al2O3.

Ein wichtiger Kostenfaktor beim Herstellen eines FaserKeramik-Verbundes, sogenannte Weißkörper, liegt in den Energiekosten für das Sintern, da bekannte nicht gesinterte Grünkörper nicht formstabil sind und nicht verbaut werden können. Im Gegensatz dazu wird mit der Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Vormaterials, welches den Grünkörper darstellt, erreicht, dass dieses formstabil ist/bleibt und als Grünkörper bereits verbaut werden kann. Im Falle eines Brandes sintert der formstabile Grünkörper im verbauten Einsatzzustand zu einem Weißkörper und stellt so die elektrische Isolation als auch die Isolation gegenüber Temperatur und An important cost factor in the production of a fiber-ceramic composite, so-called white bodies, is the energy costs for sintering, since known non-sintered green bodies are not dimensionally stable and cannot be used in the assembly. In contrast, the composition of the precursor material according to the invention, which represents the green body, ensures that it is/remains dimensionally stable and can be used as a green body. In the event of a fire, the dimensionally stable green body sinters into a white body in the assembled state and thus provides electrical insulation as well as insulation against temperature and

Feuerdurchschlag sicher. Fire penetration safe.

Energiekosten deutlich verringert werden. Energy costs can be significantly reduced.

Fasern, Oxide, Polyvinylalkohol und Wasser müssen sich im Vormaterial nicht auf 100 Gew.-% aufaddieren, da das Vormaterial Je nach Herstellungsverfahren auch gewisse Gewichtsprozente an anderen Inhaltsstoffen, beispielsweise Fibres, oxides, polyvinyl alcohol and water do not have to add up to 100% by weight in the raw material, since the raw material may also contain certain percentages by weight of other ingredients, for example

Dispergiermittel oder Entschäumer, aufweisen kann. dispersants or defoamers.

Die Einstellung der einzelnen Gewichtsprozente an Fasern, Oxiden und Polyvinylalkohol und anderen Inhaltsstoffen kann je nach Anforderungen gewählt werden. Beim Anwendungsgebiet für z.B. mit einer hohen Rate an heißen Partikeln kann ein höherer Anteil (höhere Gewichtsprozente) an Fasern für eine bessere Durchschlagsstabilität gewählt werden, wogegen beim Anwendungsgebiet für eine Opferlage einer Batteriehülle ein niedrigerer Anteil an Fasern gewählt werden kann, da dann die Wahrscheinlichkeit von abrasiven Materialien geringer ist. Die Gewichtsprozente an Fasern können insbesondere durch die Verwendung von Fasern mit unterschiedlichen Flächengewichten The individual weight percentages of fibers, oxides, polyvinyl alcohol, and other ingredients can be adjusted according to requirements. For applications involving high rates of hot particles, for example, a higher proportion (higher weight percentage) of fibers can be selected for better breakdown stability, whereas for applications involving a sacrificial layer in a battery casing, a lower proportion of fibers can be selected, as this reduces the likelihood of abrasive materials. The weight percentages of fibers can be adjusted, particularly by using fibers with different basis weights.

eingestellt werden. be set.

Im Rahmen der Erfindung kann das Vormaterial insbesondere 44 Within the scope of the invention, the primary material can in particular be 44

Q Q Q Q

Gew.-% bis 50 Gew.-% anorganische Fasern enthalten. Contains 100% to 50% by weight of inorganic fibers.

Die Gewichtsprozente an Oxiden können insbesondere in Abhängigkeit der gewünschten Gewichtsprozente an Fasern gewählt und beispielsweise durch die Verweildauer der Fasern The weight percentage of oxides can be selected in particular depending on the desired weight percentage of fibers and, for example, by the residence time of the fibers

in einem Matrixbad entsprechend eingestellt werden. be adjusted accordingly in a matrix bath.

Q Q Q Q

Gew.-% bis 40 Gew.-% anorganische Oxide enthalten. Contain 100% to 40% by weight of inorganic oxides.

Die Gewichtsprozente an Wasser können Je nach gewünschter Klebefähigkeit des Vormaterials gewählt und beim Herstellen des Vormaterials beispielsweise durch die Verweildauer der Fasern in einem Matrixbad und/oder durch nachfolgendes Pressen einer Bahn aus Faser-Matrix-Mischung entsprechend eingestellt werden. Das Wasser wird im nachfolgenden Trocknungsprozess The weight percentage of water can be selected depending on the desired adhesiveness of the precursor material and adjusted accordingly during the production of the precursor material, for example by the residence time of the fibers in a matrix bath and/or by subsequent pressing of a web of fiber-matrix mixture. The water is removed in the subsequent drying process.

verdampft. evaporates.

Die Gewichtsprozente an Polyvinylalkohol werden in der FaserMatrix-Mischung durch die Zugabe einer PVA-haltigen Lösung eingestellt und stellen die Formstabilität und Integrität des The weight percentage of polyvinyl alcohol is adjusted in the fiber matrix mixture by adding a PVA-containing solution and ensures the dimensional stability and integrity of the

Grünkörpers sicher. Green body safe.

Im Rahmen der Erfindung kann das Vormaterial insbesondere 5 Within the scope of the invention, the primary material can in particular be 5

Q Q

Gew.-% bis 20 Gew.-%, an Polivinylalkohol enthalten. wt.% to 20 wt.% of polyvinyl alcohol.

Allfällige Anteile an Dispergiermittel und/oder Entschäumer Any proportions of dispersant and/or defoamer

liegen vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.-% und 0,3 Gew.-%, are preferably between 0.1 wt% and 0.3 wt%,

insbesondere bei 0,2 Gew.-%. especially at 0.2 wt%.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei den anorganischen Oxiden der Anteil an SiO2 zumindest 65 Gew.-%, insbesondere zumindest 75 Gew. beträgt. In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anteil an Al2:O3 im Bereich von 25 Gew.-% In a particularly preferred embodiment, the proportion of SiO2 in the inorganic oxides is at least 65 wt.%, in particular at least 75 wt. In a preferred further development of this embodiment, the proportion of Al2:O3 is in the range of 25 wt.%

bis 35 Gew.-%, Liegt. up to 35 wt.%.

Der besondere Vorteil dieser Ausführungsformen mit deutlich überwiegendem Anteil an SiO2 liegt in der Balance zwischen der Temperaturstabilität während der Bearbeitung und den mechanischen Eigenschaften. Der Anteil an Al2:O3s sorgt für die The particular advantage of these designs with a significantly predominant proportion of SiO2 lies in the balance between temperature stability during processing and mechanical properties. The proportion of Al2:O3s ensures the

Temperaturstabilität. Die Balance wirkt sich darin aus, dass Temperature stability. The balance has the effect that

Faser-Keramik-Verbundes beeinträchtigt werden. Fiber-ceramic composite may be impaired.

In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei den anorganischen Oxiden der Anteil an SiO2 50 Gew.-% bis 55 Gew.-%, insbesondere 51 Gew.-% bis 52 Gew.-%, beträgt. In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anteil an Al2O3 im In another particularly preferred embodiment, the proportion of SiO2 in the inorganic oxides is 50 wt.% to 55 wt.%, in particular 51 wt.% to 52 wt.%. In a preferred further development of this embodiment, the proportion of Al2O3 in the

Bereich von 40 Gew.-% bis 49 Gew.-%, vorzugsweise be 45 Gew.-% Range from 40 wt% to 49 wt%, preferably 45 wt%

bis 47 Gew.-%, Liegt. up to 47 wt.%.

Die zur zuvor genannten Ausführungsform angeführten Vorteile treffen auch bei dieser Ausführungsform mit ähnlichen Anteilen von SiO2 und AL;O3 bzw. mit leicht überwiegendem Anteil an SiO2 zu. Die zuvor beschriebene Balance sowie die mechanischen Eigenschaften sind Jedoch bei der zuletzt genannten Ausführungsform mit leicht überwiegendem Anteil an Si0O2 besonders vorteilhaft ausgeprägt. Zudem findet eine optimalere Anbindung der anorganischen Oxide an die Fasern statt und Lagerfähigkeit eines mit einer Folie bedeckten Vormaterials The advantages cited for the previously mentioned embodiment also apply to this embodiment with similar proportions of SiO2 and AlO3 or with a slightly predominant proportion of SiO2. However, the previously described balance and the mechanical properties are particularly advantageous in the latter embodiment with a slightly predominant proportion of SiO2. In addition, a more optimal bonding of the inorganic oxides to the fibers takes place and the storability of a film-covered precursor material

verbessert sich. improves.

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Vormaterial zusätzliche anorganische Oxide ausgewählt aus der Gruppe TiO2, Fe203s, CaO, MgO, K2:O und Naz20 enthält. Vorteilhaft daran ist, dass als Ausgangsrohstoff verschiedene Arten an Steingut, dessen Zusammensetzung sich ändern kann, verwendet Within the scope of the invention, it can be provided that the starting material contains additional inorganic oxides selected from the group TiO2, Fe2O3s, CaO, MgO, K2O and Na2O. This is advantageous in that various types of earthenware, the composition of which can vary, can be used as the starting raw material.

werden können. can be.

In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist In a further, particularly preferred embodiment,

vorgesehen, dass bei den anorganischen Fasern der Anteil an It is intended that the proportion of inorganic fibres

Q Q

S1iO2 zumindest 60 Gew.-% und der Anteil an Al2O3 maximal 25 SiO2 at least 60 wt.% and the proportion of Al2O3 maximum 25

Q Q

Gew.-% beträgt, insbesondere dass der Anteil an Si0O2 zumindest % by weight, in particular that the proportion of Si0O2 is at least

Q Q

65 Gew.-%, insbesondere zumindest 70 Gew.-%, beispielsweise 85 65 wt.%, in particular at least 70 wt.%, for example 85

7723 7723

Gew.-% beträgt und der Anteil an AlL‚,O3 im Bereich von 15 bis 20 Gew.-% liegt. Wenn sowohl bei den Fasern als auch bei den anorganischen Oxiden der Anteil an SiO2 ähnlich groß ist, besteht der Vorteil, dass eine „Schlichte“ entfallen kann. Wenn zudem der Anteil an Si1iO2 gegenüber dem Anteil an Al1203; dominierend ist, besteht der Vorteil, dass sich die % by weight and the proportion of Al12O3 is in the range of 15 to 20 wt. %. If the proportion of SiO2 is similar in both the fibers and the inorganic oxides, there is the advantage that a "sizing" can be omitted. If, in addition, the proportion of Si12O2 is dominant over the proportion of Al12O3, there is the advantage that the

Matrixmischung besonders gut an die Fasern anbinden kann. Matrix mixture can bind particularly well to the fibers.

Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass bei den anorganischen Fasern der Anteil an SiO2; 20 bis 30 Gew.-%, insbesondere 25 Gew.-%, beträgt und der Anteil an Al20: 70 bis Within the scope of the invention, it can also be provided that the proportion of SiO2 in the inorganic fibers is 20 to 30 wt.%, in particular 25 wt.%, and the proportion of Al2O: 70 to

80 Gew.-%, insbesondere 75 Gew.-$%. 80 wt%, in particular 75 wt%.

Im Rahmen der Erfindung können die anorganischen Fasern als Gewebe, Gelege, Vlies, Filz, Gestrick, Geflecht, in Form einer Wicklung oder als unidirektionale Faserschicht angeordnet Within the scope of the invention, the inorganic fibers can be arranged as woven fabric, nonwoven fabric, felt, knitted fabric, braid, in the form of a winding or as a unidirectional fiber layer

sein. be.

Um die Lagerfähigkeit des Vormaterials zu verbessern, kann das Vormaterial im Rahmen der Erfindung die Form einer flächigen, aufrollbaren Bahn haben, wobei die Ober- und Unterseite der Bahn jeweils durch eine Folie gebildet ist und die anorganischen Fasern, die anorganischen Oxide und der Wasseranteil zwischen den Folien vorliegen oder wobei die In order to improve the storage life of the precursor material, the precursor material can, within the scope of the invention, have the form of a flat, rollable web, wherein the top and bottom sides of the web are each formed by a film and the inorganic fibers, the inorganic oxides and the water content are present between the films or wherein the

Ober- oder Unterseite der Bahn durch eine Folie gebildet ist. The top or bottom of the track is formed by a film.

Erfindungsgemäß wird das Vormaterial in einem Verfahren According to the invention, the primary material is processed in a process

umfassend die folgenden Verfahrensschritte hergestellt: comprising the following process steps:

a) Herstellen einer Suspension enthaltend Wasser und anorganische Oxide und Polyvinylalkohol sowie vorzugsweise ein Dispergiermittel und/oder ein Entschäumer zur späteren Ausbildung einer oxidischen a) Preparation of a suspension containing water and inorganic oxides and polyvinyl alcohol and preferably a dispersant and/or a defoamer for the subsequent formation of an oxidic

Keramik-Matrix, Ceramic matrix,

Anwendung von erhöhtem Druck. Application of increased pressure.

Im Rahmen der Erfindung kann die im Schritt a) verwendete Within the scope of the invention, the method used in step a)

Q Q Q Q

Suspension 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% Wasser, insbesondere 30 Gew.-% bis 45 Gew.-% Wasser, 5 Gew.-% bis 25 Gew.-% Polyvinylalkohol und 30 Gew.-% bis 65 Gew.-% anorganische Suspension 20 wt% to 60 wt% water, in particular 30 wt% to 45 wt% water, 5 wt% to 25 wt% polyvinyl alcohol and 30 wt% to 65 wt% inorganic

Oxide enthalten, insbesondere 30 Gew.-% bis 50 Gew.-% Contain oxides, in particular 30 wt.% to 50 wt.%

anorganische Oxide, enthalten. inorganic oxides.

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die gemahlenen, anorganischen Oxide zur Ausbildung der oxidischen Within the scope of the invention, it can be provided that the ground, inorganic oxides are used to form the oxidic

Keramik-Matrix aus Steingut gewonnen werden. Ceramic matrix can be obtained from earthenware.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Fasern in Schritt b) in Form einer flächigen Bahn einen Behälter durchlaufen, der die nach Schritt a) hergestellte Suspension beinhaltet, und dass in Schritt c) die Unterseite und/oder die Oberseite der flächigen Bahn, die anorganische Fasern, anorganische Oxide, einen Wasseranteil und den Anteil an Polyvinylalkohol umfasst, mit einer Folie bedeckt wird. Durch die Verweildauer und einen Kalander, der die aufzutragende Dicke der Matrix bestimmt, können die In a preferred embodiment, it can be provided that the fibers in step b) pass through a container in the form of a flat web containing the suspension prepared according to step a), and that in step c) the underside and/or the upper side of the flat web, which comprises inorganic fibers, inorganic oxides, a water content and the proportion of polyvinyl alcohol, is covered with a film. By means of the residence time and a calender, which determines the thickness of the matrix to be applied, the

entsprechenden Gewichtsprozente eingestellt werden. corresponding weight percentages can be set.

Das Material kann nun, mit Hilfe eines Vakuumofens, eines Autoklavs oder einer heißen Presse, in Form gebracht werden. Ein weiteres Sintern des Grünkörpers ist nicht notwendig. Im Falle eines Brandes (thermal run-away) sintert der Grünkörper durch die eingebrachte Energie in Form von Temperatur zu einem Weißkörper und hält so den betroffenen Bereich des Brandes in The material can now be shaped using a vacuum furnace, an autoclave, or a hot press. Further sintering of the green body is not necessary. In the event of a fire (thermal runaway), the green body sinters into a white body due to the introduced energy in the form of temperature, thus keeping the affected area of the fire in

Grenzen. limits.

kommt . comes .

Die erfindungsgemäße Matrix ist zwischen 900 und 1100°C sinterbar. Im Falle eines Verbundes bestimmt Jedoch das schwächste Glied die Sintertemperatur, in diesem Fall die Faser, Die mechanische Festigkeit von Basalt-Fasern oder Si1i02Fasern sinkt rapide bei Temperaturen über 990°C. Die Erfindung zeichnet sich jedoch durch eine besondere Balance zwischen Temperaturstabilität in der Herstellung und mechanischen The matrix according to the invention is sinterable between 900 and 1100°C. However, in the case of a composite, the weakest link determines the sintering temperature, in this case the fiber. The mechanical strength of basalt fibers or Si1i02 fibers drops rapidly at temperatures above 990°C. The invention, however, is characterized by a special balance between temperature stability during production and mechanical

Eigenschaften im fertigen Verbund aus. Properties in the finished composite.

Die einzelnen Gewichtsprozente an Fasern und Oxiden können Je nach Anforderungen gewählt werden. Beim Anwendungsgebiet für z.B. die Spitze einer Weltraumrakete kann für eine bessere mechanische Stabilität ein Anteil an Fasern von ca. 55 Gew.-% gewählt werden, wogegen beim Anwendungsgebiet für eine Opferlage einer Batteriehülle ein Anteil an Fasern von ca. 40 The individual weight percentages of fibers and oxides can be selected depending on the requirements. For example, in the application area of the tip of a space rocket, a fiber content of approximately 55 wt.% can be selected for better mechanical stability, whereas for the application area of a sacrificial layer of a battery casing, a fiber content of approximately 40 wt.% can be selected.

Gew.-% gewählt werden kann, da dann die mechanische Stabilität % by weight, since then the mechanical stability

weniger von praktischer Bedeutung ist. is of less practical importance.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Further details and features of the invention will become apparent from the following description of a preferred

Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, in der schematisch eine erfindungsgemäße Anlage mit ihren wesentlichen Bauteilen Embodiment based on the drawing, in which a system according to the invention with its essential components is shown schematically

dargestellt ist. is shown.

Das verwendete Steingut kann beispielsweise aus folgenden The earthenware used can be made from the following materials:

Oxiden bestehen: Oxides consist of:

72 % SiO2, 1 % T1iO2, 18 % Al2Os, 1 % FezOs, 5 % CaO, 0,50 % MgO, 2 5% K2O0, 0,50 % Na20. 72% SiO2, 1% T1iO2, 18% Al2Os, 1% FezOs, 5% CaO, 0.50% MgO, 2 5% K2O0, 0.50% Na20.

Die eingesetzten, anorganischen Fasern bestehen aus Basalt, SiO2 oder Al2:O3s. Die anorganischen Fasern können als Gewebe, Gelege, Vlies, Filz, Gestrick, Geflecht, in Form einer Wicklung oder als unidirektionale Faserschicht angeordnet The inorganic fibers used consist of basalt, SiO2, or Al2:O3s. The inorganic fibers can be arranged as woven fabrics, nonwovens, felts, knitted fabrics, braids, in the form of windings, or as unidirectional fiber layers.

sein. be.

Die Fasern werden von einer Abwickeleinheit 1 kontinuierlich abgewickelt und über Führungsrollen 2 in ein Matrixbad geführt. Das Matrixbad umfasst eine Tränkwanne 3, in der eine Mischung aus Wasser und Polyvinylalkohol vorliegt, in die das gemahlene Steingut eingetragen wird. Die Temperatur im Matrixbad kann ca. 20 bis 40°C betragen. In der Tränkwanne 3 kann eine Umwälzpumpe vorgesehen sein, um Sedimentierungen zu The fibers are continuously unwound from an unwinding unit 1 and guided into a matrix bath via guide rollers 2. The matrix bath comprises an impregnation tank 3 containing a mixture of water and polyvinyl alcohol, into which the ground stoneware is introduced. The temperature in the matrix bath can be approximately 20 to 40°C. A circulation pump can be provided in the impregnation tank 3 to prevent sedimentation.

vermeiden. avoid.

Durch das verwendete Flächengewicht der Fasern, z.B. 280 g/m? bis 620 g/m?, können die Gewichtsprozente der Fasern eingestellt werden. Durch die Verweildauer der Fasern im Matrixbad können die Gewichtsprozente an Wasser und The weight percentage of the fibers can be adjusted by the used basis weight of the fibers, e.g. 280 g/m² to 620 g/m². The residence time of the fibers in the matrix bath can be adjusted by the weight percentage of water and

Polivinylalkohol beeinflusst werden. Polyvinyl alcohol can be affected.

Die Faser-Matrixmischung, die bereits nach Austritt aus der Tränkwanne 3 als Vormaterial bezeichnet werden kann, wird nach dem Matrixbad durch wenigstens ein Pressrollenpaar 4 zum Ausbüben eines Anpressdruckes geführt. Durch den Anpressdruck wird die Suspension in die anorganischen Fasern gedrückt, sodass die Oxide für die Ausbildung der Keramik-Matrix in die Fasern eingebracht werden. Zudem können die Gewichtsprozente The fiber-matrix mixture, which can already be referred to as precursor material after leaving the impregnation tank 3, is guided after the matrix bath through at least one pair of press rollers 4 to exert a contact pressure. The contact pressure presses the suspension into the inorganic fibers, so that the oxides for the formation of the ceramic matrix are introduced into the fibers. In addition, the weight percentages

an Wasser und Polivinylalkohol weiter beeinflusst werden. of water and polyvinyl alcohol.

Nach der Tränkwanne 3 und dem Pressrollenpaar 4 sind weitere After the impregnation trough 3 and the pair of press rollers 4, further

Führungsrollen 2 vorgesehen, über die das bahnenförmige Guide rollers 2 are provided, over which the web-shaped

Vormatrial zu einer Lagereinheit 5, beispielsweise eine Rolle Pre-material for a storage unit 5, for example a roll

zum Aufwickeln des Vormaterials, geführt wird. for winding up the raw material.

Wenigstens eine weitere Führungsrollen 2 kann eine Vorratsrolle 6 für eine abziehbare Folie (beispielsweise silikonisiert oder gewachst) sein, um die Oberseite 7 oder die Unterseite 8 des Vormaterials mit einer Folie zu beziehen, so dass das Vormaterial besser gelagert werden kann. Es kann auch ein Rollenpaar an Vorratsrollen 6 für eine abziehbare Folie vorgesehen sein, um die Oberseite 7 und die Unterseite 8 des Vormaterials mit einer Folie zu beziehen. Im letzteren Beispiel erfolgt durch den dort erzeugten Anpressdruck eine weitere Verfestigung des Vormaterials, sodass auch über einen längeren Zeitraum eine Lagerung bei entsprechender At least one further guide roller 2 can be a supply roll 6 for a removable film (for example, siliconized or waxed) in order to cover the upper side 7 or the lower side 8 of the raw material with a film, so that the raw material can be stored more easily. A pair of supply rolls 6 for a removable film can also be provided in order to cover the upper side 7 and the lower side 8 of the raw material with a film. In the latter example, the contact pressure generated there further solidifies the raw material, so that even over a longer period of time, storage with appropriate

Raumtemperatur möglich ist. room temperature is possible.

Das Vormaterial kann unmittelbar nach dessen Herstellung oder nach entsprechender Lagerung verarbeitet werden. Dabei wird vorerst die Folie von der Oberfläche des Vormaterials abgezogen und das Vormaterial wird in mehreren Lagen in eine Pressform verbracht. Die Pressform mit dem Vormaterial wird in einen Ofen übergeführt und dort, je nach weiterer Verwendung, mehrere Stunden bei etwa 70 bis 100°C erhitzt. Danach wird die The raw material can be processed immediately after production or after appropriate storage. First, the foil is removed from the surface of the raw material, and the raw material is placed in several layers in a press mold. The press mold with the raw material is transferred to an oven and heated there for several hours at approximately 70 to 100°C, depending on the further use. The

Pressform entfernt. Der Grünkörper kann nun verbaut werden. The mold has been removed. The green body can now be installed.

Das erfindungsgemäße Vormaterial zum Ausbilden eines FaserKeramik-Verbundes im Brandfall kann für eine Reihe technischer Anwendungen verwendet werden. Lediglich beispielhaft wird die Verwendung zur Herstellung von Batterieabdeckungen sowie die Herstellung von Bauteilen für Luftfahrzeuge, wie Drohnen, angeführt. Neben den zum Stand der Technik genannten, konkreten Einsatzgebieten sind grundsätzlich alle Anwendungsbereich interessant, in denen konventionelle, technische Keramik verwendet wird, oder in denen metallische The inventive precursor material for forming a fiber-ceramic composite in the event of a fire can be used for a range of technical applications. Examples include the production of battery covers and the manufacture of components for aircraft, such as drones. In addition to the specific applications mentioned in the prior art, all applications in which conventional technical ceramics are used or in which metallic

Komponenten oder Komponenten aus Kunststoff wegen Korrosion Components or components made of plastic due to corrosion

oder hoher Temperaturen keine befriedigenden Lebensdauern or high temperatures do not have satisfactory lifetimes

erreichen. to reach.

Claims (1)

Patentansprüche: Patent claims: Vormaterial zur Verwendung zum Herstellen eines FaserKeramik-Verbundes, wobei das Vormaterial anorganische Fasern, insbesondere oxidische und/oder Mineralfasern, und anorganische Oxide umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass 100 Gew.-% Vormaterial Precursor material for use in producing a fiber-ceramic composite, wherein the precursor material comprises inorganic fibers, in particular oxidic and/or mineral fibers, and inorganic oxides, characterized in that 100 wt.% precursor material —- 40 Gew.-% bis 55 Gew.-% anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern und/oder Fasern aus Basalt, Si0O>» und/oder AlL1203, —- 40 wt.% to 55 wt.% inorganic fibers, in particular glass fibers and/or fibers made of basalt, SiO>» and/or AlL12O3, —- 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% anorganische Oxide, —- 25 wt% to 45 wt% inorganic oxides, —- 1,5 Gew.-% bis 25 Gew.-% Polivinylalkohol und —- 1.5 wt% to 25 wt% polyvinyl alcohol and —- 2,5 Gew.-% bis 12,5 Gew.-% Wasser enthalten —- Contains 2.5% to 12.5% water by weight und dass 100 Gew.-% der anorganischen Oxide zumindest 50 and that 100 wt.% of the inorganic oxides contain at least 50 Gew.-% S1iO2 und maximal 50 Gew.-% Al‚Oz3 enthalten. wt.% SiO2 and a maximum of 50 wt.% AlO2. Vormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Precursor material according to claim 1, characterized in that es 44 Gew.-% bis 50 Gew.-% anorganische Fasern enthält. it contains 44% to 50% by weight of inorganic fibers. Vormaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es 30 Gew.-% bis 40 Gew.-% Precursor material according to claim 1 or 2, characterized in that it contains 30 wt.% to 40 wt.% anorganische Oxide enthält. contains inorganic oxides. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es 5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, Precursor material according to one of claims 1 to 3, characterized in that it contains 5 wt.% to 20 wt.%, insbesondere 10 Gew.-% bis 15 Gew.-% an Polivinylalkohol in particular 10 wt.% to 15 wt.% of polyvinyl alcohol enthält. contains. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei den anorganischen Oxiden der Anteil an SiO2; 50 Gew.-% bis 55 Gew.-%, insbesondere 51 Gew.-% bis 52 Gew.-%, oder zumindest 65 Gew.-%, Precursor material according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the inorganic oxides the proportion of SiO2; 50 wt.% to 55 wt.%, in particular 51 wt.% to 52 wt.%, or at least 65 wt.%, insbesondere zumindest 75 Gew.-%, beträgt. in particular at least 75% by weight. 14 14 Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den anorganischen Oxiden der Anteil an Al2:O3 im Bereich von 40 Gew.-% bis 49 Gew.-%, Precursor material according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the inorganic oxides the proportion of Al2:O3 is in the range from 40 wt.% to 49 wt.%, vorzugsweise bei 45 Gew.-% bis 47 Gew,-%, oder im Bereich preferably at 45 wt.% to 47 wt.%, or in the range von 25 Gew.-% - 35 Gew.-% Liegt. of 25 wt% - 35 wt%. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzliche anorganische Oxide ausgewählt aus der Gruppe Ti0O2, Fe20s, CaO, MgO, K20 und Na2z0 enthält. Precursor material according to one of claims 1 to 6, characterized in that it contains additional inorganic oxides selected from the group Ti0O2, Fe2O5, CaO, MgO, K2O and Na2O. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei den anorganischen Fasern der Precursor material according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the case of the inorganic fibers of the Q Q Anteil an Si0O2; zumindest 60 Gew.-% und der Anteil an AlL>‚O3 maximal 25 Gew.-% beträgt, insbesondere dass der Anteil an SiO2 zumindest 65 Gew.-%, insbesondere zumindest 70 Proportion of SiO2; at least 60 wt.% and the proportion of AlO3 is at most 25 wt.%, in particular that the proportion of SiO2 is at least 65 wt.%, in particular at least 70 Q Q Gew.-%, beispielsweise 85 Gew.-% beträgt und der Anteil % by weight, for example 85 % by weight and the proportion Q Q an Al2:O3 im Bereich von 15 bis 20 Gew.-% Liegt. of Al2:O3 is in the range of 15 to 20 wt.%. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Fasern als Gewebe, Gelege, Vlies, Filz, Gestrick, Geflecht, in Form einer Wicklung oder als unidirektionale Faserschicht angeordnet Precursor material according to one of claims 1 to 8, characterized in that the inorganic fibers are arranged as a woven fabric, scrim, nonwoven, felt, knitted fabric, braid, in the form of a winding or as a unidirectional fiber layer sind. are. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form einer flächigen, aufrollbaren Bahn hat, wobei die Oberseite (7) und Unterseite (8) der Bahn Jeweils durch eine Folie gebildet ist und die anorganischen Fasern, die anorganischen Oxide und der Wasseranteil zwischen den Folien vorliegen oder wobei die Oberseite (7) oder die Unterseite (8) der Bahn Precursor material according to one of claims 1 to 9, characterized in that it has the form of a flat, rollable web, wherein the upper side (7) and underside (8) of the web are each formed by a film and the inorganic fibers, the inorganic oxides and the water content are present between the films or wherein the upper side (7) or the underside (8) of the web durch eine Folie gebildet ist. is formed by a film. 12. 12. 13. 13. 14. 14. 15 15 Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch Precursor material according to one of claims 1 to 10, characterized gekennzeichnet, dass es einen Anteil von 0,1 - 0,3 Gew.$, insbesondere 0,2 Gew.-%, an Dispergiermittel und/oder einen Anteil von 0,1 - 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,2 Gew.-characterized in that it contains a proportion of 0.1 - 0.3 wt.%, in particular 0.2 wt.%, of dispersant and/or a proportion of 0.1 - 0.3 wt.%, in particular 0.2 wt.- %, an Entschäumer aufweist. %, of defoamer. Verfahren zum Herstellen eines Vormaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verwendung zum Herstellen eines Faser-Keramik-Verbundes umfassend die Method for producing a precursor material according to one of claims 1 to 11 for use in producing a fiber-ceramic composite comprising the Verfahrensschritte: Process steps: a) Herstellen einer Suspension enthaltend Wasser und anorganische Oxide und Polyvinylalkohol sowie vorzugsweise ein Dispergiermittel und/oder ein Entschäumer zur späteren Ausbildung einer oxidischen Keramik-Matrix, a) preparing a suspension containing water and inorganic oxides and polyvinyl alcohol and preferably a dispersant and/or a defoamer for the subsequent formation of an oxide ceramic matrix, b) In-Kontakt-Bringen von anorganischen Fasern in die nach Schritt a) hergestellte Suspension und b) bringing inorganic fibers into contact with the suspension prepared according to step a) and c) Herstellen eines lagerstabilen Vormaterials für den Faser-Keramik-Verbund unter Anwendung von erhöhtem c) Production of a storage-stable precursor material for the fiber-ceramic composite using increased Druck. Pressure. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Method according to claim 12, characterized in that im Schritt a) eine Suspension enthaltend 20 Gew.-% bis 60 in step a) a suspension containing 20 wt.% to 60 Q Q Q Q Gew.-% Wasser, insbesondere 30 Gew.-% bis 45 Gew.-% % by weight water, in particular 30% by weight to 45% by weight Q Q Q Q Wasser, 5 Gew.-% bis 25 Gew.-% Polyvinylalkohol und 30 Water, 5 wt% to 25 wt% polyvinyl alcohol and 30 Q Q Q Q Gew.-% bis 65 Gew.-% anorganische Oxide, insbesondere 30 wt.% to 65 wt.% inorganic oxides, in particular 30 Q Q Q Q Gew.-% bis 50 Gew.-% anorganische Oxide, verwendet wird. wt.% to 50 wt.% inorganic oxides. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gemahlenen, anorganischen Oxide zur Ausbildung der oxidischen Keramik-Matrix aus Steingut Process according to claim 12 or 13, characterized in that the ground, inorganic oxides for forming the oxide ceramic matrix of earthenware gewonnen werden. be obtained. 16. 16. 16 16 Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern in Schritt b) in Form einer flächigen Bahn einen Behälter (3) durchlaufen, der die nach Schritt a) hergestellte Suspension beinhaltet, und dass in Schritt c) die Unterseite (7) und/oder die Oberseite (7) der flächigen Bahn, die anorganische Fasern, anorganische Oxide, einen Wasseranteil und einen Anteil an Polyvinylalkohol umfasst, mit einer Folie Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that in step b) the fibers in the form of a flat web pass through a container (3) which contains the suspension produced according to step a), and in that in step c) the underside (7) and/or the upper side (7) of the flat web, which comprises inorganic fibers, inorganic oxides, a proportion of water and a proportion of polyvinyl alcohol, is covered with a film bedeckt wird. is covered. Verwendung eines Vormaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Herstellen eines Faser-Keramik-Verbundes Use of a precursor material according to one of claims 1 to 11 for producing a fiber-ceramic composite umfassend den Verfahrensschritt: comprehensively the process step: d) Sintern des Vormaterials bei einer Temperatur von etwa 1000°C, insbesondere bei einer Temperatur von 950 bis 990°C, zur Ausbildung einer oxidischen Keramik-Matrix d) Sintering the precursor material at a temperature of approximately 1000°C, in particular at a temperature of 950 to 990°C, to form an oxide ceramic matrix im verbauten Einsatzzustand des Vormaterials. in the installed operating condition of the raw material.
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