專利名稱：用于制造用于陶瓷材料的陶瓷物質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造陶瓷物質(zhì)的方法，所述陶瓷物質(zhì)適用于高度剛性的結(jié)構(gòu)組件，并且具有物質(zhì)組件密度和其它化學(xué)與物理性質(zhì)方面的特別高水平的均質(zhì)性。
背景技術(shù)：
陶瓷物質(zhì)具有大量有利的物理性質(zhì)特別是機(jī)械性質(zhì)，和化學(xué)性質(zhì)。由于這些性質(zhì)，這種類型的物質(zhì)組合物和材料可有利地用于許多應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中。然而，現(xiàn)有陶瓷物質(zhì)的問題是，通常需要特別高水平的努力以確保高水平的均質(zhì) 性。特別是在復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的情況下，通常是不可能令人滿意地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。然而，為了滿足高質(zhì)量要求，在這種類型的陶瓷物質(zhì)中需要高水平的均質(zhì)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開發(fā)用于制造陶瓷物質(zhì)的方法，其中能夠以特別簡(jiǎn)單并且可靠的方式實(shí)現(xiàn)所述陶瓷物質(zhì)高水平的均質(zhì)性和其它化學(xué)與物理性質(zhì)高水平的均質(zhì)性。通過具有獨(dú)立權(quán)利要求1中所述特征的用于制造陶瓷物質(zhì)的方法，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目標(biāo)。有利的進(jìn)展公開于從屬權(quán)利要求中。本發(fā)明是用于制造陶瓷物質(zhì)的方法，其更具體地包括如下步驟(SI)制造均質(zhì)混合物，其含有(a)纖維長(zhǎng)度分布D5tl < 15 μ m的碳纖維，和(b)至少一種粉狀的并且可碳化的粘結(jié)劑(20)，(S2)在壓力作用下壓緊所述均質(zhì)混合物(30)，(S3)熱處理以碳化或碳化和石墨化所述壓緊的均質(zhì)混合物，從而獲得碳物質(zhì)，和(S4)硅化所述碳物質(zhì)以獲得所述陶瓷物質(zhì)。通過與待供給的粘結(jié)劑的充分混合，實(shí)現(xiàn)了所述混合物特別高水平的均質(zhì)性。通?？烧嬲圃斐鼍哂袊?yán)格排除尺寸的纖維長(zhǎng)度分布，即其中沒有其直徑超過或未達(dá)到特定限值的粒子的分布。然而，在特定D值的基礎(chǔ)上也通常充分指出纖維長(zhǎng)度分布。所述纖維長(zhǎng)度分布的D5tl值小于15 μ m,該邊界條件對(duì)于特定的實(shí)施方式和應(yīng)用領(lǐng)域通常是充分的。所述碳纖維(10)優(yōu)選具有D95 < 30 μ m的纖維長(zhǎng)度分布。如果在互相獨(dú)立的D值的規(guī)格的上下文中應(yīng)用許多邊界條件，則在待制造陶瓷物質(zhì)的均質(zhì)性方面顯現(xiàn)另外的優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，在上文另外所描述D5tl值或其它D值的規(guī)格上，可以備選地或另外地考慮D95值的規(guī)格。優(yōu)選地，所述粉狀粘結(jié)劑(20)含有粉狀樹脂，特別是粉狀酚醛樹脂。所述粉狀粘結(jié)劑優(yōu)選具有D5tl < IOOym的粒度分布。特別是如果不僅對(duì)于一種或多種起始物質(zhì)，而且對(duì)于添加物即特別是一種或多種粘結(jié)劑，要求纖維長(zhǎng)度分布的所描述的性質(zhì)，則提供了待制造的陶瓷物質(zhì)的所述均質(zhì)性。優(yōu)選以如下方式選擇在所述均質(zhì)混合物中的混合比和在所述壓緊步驟(S2)期間的壓力，和/或在所述熱處理(S3)期間的溫度，以使得所述碳物質(zhì)的密度在約O. 5g/cm3至約O. 85g/cm3的范圍中。這可以優(yōu)選在如下基礎(chǔ)上出現(xiàn)，即基于在圖5表2中和圖6曲線圖2中所公開關(guān)系的至少一種。在步驟(S2)的混合或充分混合期間，可以添加一種或多種添加物，特別是添加劑和/或填料，以形成均質(zhì)混合的粉末。作為使用合適的粘結(jié)劑、添加劑和/或填料的結(jié)果，其數(shù)量和濃度，和其含于待制造陶瓷物質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，在很大程度上可對(duì)所述陶瓷物質(zhì)的性質(zhì)有貢獻(xiàn)。在硅化期間，優(yōu)選將所述陶瓷物質(zhì)的密度設(shè)置為在約2. 8g/cm3至約3. lg/cm3的范圍中。這可以優(yōu)選基于在等式(3)中 Ra τ --1.7655-..........T-XIOfKvP + 16223 g(3)
,if t^l在圖7表3中和在圖8曲線圖3中所公開關(guān)系的至少一種進(jìn)行實(shí)施。在這種情況下，Psil和P代表所獲得硅化和未硅化形式的壓緊均質(zhì)混合物的密度。如上文結(jié)合所述成形所詳細(xì)解釋的，還可以在硅化步驟期間經(jīng)由閉型公式表達(dá)來(lái)施加控制，或借助于曲線圖求值或者借助于讀表法或查表法經(jīng)由經(jīng)驗(yàn)值來(lái)施加控制。所獲得陶瓷物質(zhì)(100)，特別是硅化形式的陶瓷物質(zhì)，其密度可以優(yōu)選基于在等式⑷中所描述
「00261 上…4MJ9.—已一I040.-1,(4)
CrPti,Ir iCm '或者在圖5表4中或

圖10曲線圖4中所公開關(guān)系的至少一種直接或間接地進(jìn)行設(shè)定。在這種情況下，E表示特別是硅化形式的所獲得陶瓷物質(zhì)或所述陶瓷物質(zhì)初步產(chǎn)物的彈性模量。即使控制了所述彈性模量，但在所述成形步驟期間或在硅化期間提供了相應(yīng)的控制可能性。經(jīng)由所述成形過程，即基本上經(jīng)由壓力條件，還經(jīng)由碳化和/或硅化的類型，并且基本上還經(jīng)由起始物質(zhì)的比例，除了控制彈性模量外，還可相應(yīng)地設(shè)置其它機(jī)械性質(zhì)，例如硬度或延伸和壓縮特性，還有熱或電性質(zhì)，例如熱膨脹性或熱導(dǎo)率。優(yōu)選地，所述均質(zhì)混合物含有20-50重量％粘結(jié)劑和50-80重量％碳纖維，優(yōu)選30-40重量％粘結(jié)劑和60-75重量％碳纖維。優(yōu)選在壓緊步驟(S2)期間設(shè)置在約1. OMPa至約4. OMPa范圍中的壓縮力(P)。在壓緊步驟(S2)期間，優(yōu)選在模具中模制所述均質(zhì)混合物以形成壓模體，并且在熱處理步驟(S3)中將所述壓模體轉(zhuǎn)化成由碳物質(zhì)制成的模制制品。在步驟(S2)的混合或充分混合之后并且在步驟(S3)的模制之前，可以實(shí)施除塵(TI)、粒化(T2 )和/或中間存儲(chǔ)(T3 )的步驟。在步驟(S3)的模制之后，特別是通過熱解，可進(jìn)行所獲得壓緊的均質(zhì)混合物或所述均質(zhì)物質(zhì)組合物的預(yù)成形物的碳化步驟(Ul)。在步驟(S3)的模制之前和特別是在步驟(Ul)的碳化之后，可以進(jìn)行所獲得壓緊的均質(zhì)混合物的硅化步驟(U4 )或(V3 )。由于除塵步驟，即除去粒子部分，可以增加處理所獲得混合粉末的容易度，并且可以降低當(dāng)處理混合粉末時(shí)爆炸的危險(xiǎn)。易于處理的一個(gè)方面也是作為除塵的結(jié)果而在工作環(huán)境中降低了雜質(zhì)。粒化基本上由形成以基本上固體形式例如在若干100 μ m至數(shù)個(gè)mm范圍中介觀的粒子、簇或聚集體組成，然而其以均質(zhì)混合方式提供了在所述混合粉末中所制備起始物質(zhì)的均質(zhì)分布。這種類型的顆粒可中間存儲(chǔ)，所提供的混合粉末就其本身而言是因此合適的，并且可進(jìn)行處理、分份并且可按照需要以特別合適的方式進(jìn)行進(jìn)一步處理。所述壓模體優(yōu)選在碳化前固化。優(yōu)選地，在所述硅化步驟(S4)之前，借助于膠粘劑特別是可碳化膠粘劑，制造多個(gè)接合在一起的由碳物質(zhì)制成的模制制品，以獲得模制制品布置。在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述可碳化膠粘劑含有樹脂，特別是酚醛樹脂，和碳化硅粉末。所述碳化娃粉末的平均粒徑為1-50 μ m,優(yōu)選3-20 μ m,更優(yōu)選5-10 μ m。所述可碳化膠粘劑含有5-50重量％水、20-80重量％碳化硅粉末和10_55重量％樹脂，優(yōu)選10-40重量％水、30-65重量％碳化硅粉末和20-45重量％樹脂，更優(yōu)選15-25重量％水、45-55重量％碳化硅粉末和27-33重量％樹脂。所述可碳化膠粘劑含有低于10重量％、特別是低于3重量％由碳物質(zhì)制成的填料，并且特別是不含由碳物質(zhì)制成的填料。所述陶瓷物質(zhì)(100)的步驟(S3)或所述陶瓷物質(zhì)(100)的初步產(chǎn)物(50)的步驟
(S3)可以包括壓縮或壓模步驟，并且可能有固化步驟。由此通過相應(yīng)的成形步驟將獲得的混合粉末或它的顆粒轉(zhuǎn)化成根據(jù)本發(fā)明的陶瓷物質(zhì)，其中任選包括固化步驟。經(jīng)由壓縮步驟即經(jīng)由施加機(jī)械壓力的成形，導(dǎo)致了在作為均質(zhì)混合物的粉末或顆粒中已經(jīng)存在的物質(zhì)分布的壓緊。作為壓縮步驟設(shè)計(jì)的結(jié)果，即作為在時(shí)間和空間上壓力和/或溫度分布的結(jié)果，然后也可在寬范圍內(nèi)，更具體地說均勻地，確定已完成、脫模的均質(zhì)物質(zhì)組合物的相應(yīng)物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。例如，這可以基于如下等式(I)和(2)
權(quán)利要求
1.一種用于制造陶瓷物質(zhì)(100)的方法，所述方法包括如下步驟 (S I)制造均質(zhì)混合物，其含有 (a)纖維長(zhǎng)度分布D5tl< 15 的碳纖維(10)，和 (b)至少一種粉狀的并且可碳化的粘結(jié)劑(20)， (52)在壓力作用下壓緊所述均質(zhì)混合物(30)， (53)熱處理以碳化或碳化和石墨化所述壓緊的均質(zhì)混合物，從而獲得碳物質(zhì)，和 (54)硅化所述碳物質(zhì)以獲得所述陶瓷物質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述碳纖維(10)的纖維長(zhǎng)度分布D95 <30umo
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述粉狀粘結(jié)劑(20)含有粉狀樹脂，特別是粉狀酚醛樹脂。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述粉狀粘結(jié)劑的粒度分布D5tl < 100 u m。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中選擇在所述均質(zhì)混合物中的混合比和在所述壓緊步驟(S2)期間的壓力，和/或在所述熱處理(S3)期間的溫度，以使得所述碳物質(zhì)的密度在約0. 5g/cm3至約0. 85g/cm3的范圍中。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中在硅化期間所述陶瓷物質(zhì)的密度在約2. 8g/cm3至約3. lg/cm3的范圍中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述均質(zhì)混合物含有20-50重量％粘結(jié)劑和50-80重量％碳纖維，優(yōu)選30-40重量％粘結(jié)劑和60-75重量％碳纖維。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中在壓緊步驟(S2)期間設(shè)置在約1. OMPa至約4. OMPa范圍中的壓縮力(P)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中在壓緊步驟(S2)期間在模具中模制所述均質(zhì)混合物以形成壓模體，并且在熱處理步驟(S3 )中將所述壓模體轉(zhuǎn)化成由碳物質(zhì)制成的模制制品。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述壓模體在碳化前固化。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中在所述硅化步驟(S4)之前，借助于膠粘劑特別是可碳化膠粘劑，制造多個(gè)接合在一起的由碳物質(zhì)制成的模制制品，以獲得模制制品布置。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述可碳化膠粘劑含有樹脂，特別是酚醛樹脂，和碳化硅粉末。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法， 其中所述碳化硅粉末的平均粒徑為1-50 u m,優(yōu)選3-20 u m,更優(yōu)選5-10 u m。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述可碳化膠粘劑含有5-50重量％水、20-80重量％碳化硅粉末和10-55重量％樹脂，優(yōu)選10-40重量％水、30-65重量％碳化硅粉末和20-45重量％樹脂，更優(yōu)選15-25重量％水、45-55重量％碳化硅粉末和27-33重量％樹脂。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中所述可碳化膠粘劑含有低于10重量％、特別是低于3重量％由碳物質(zhì)制成的填料，并且特別是不含由碳物質(zhì)制成的填料。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中通過在所述硅化步驟S4之前從所述模制制品布置除去碳物質(zhì)加工所述模制制品布置，以使得制造出具有預(yù)定形狀的由碳物質(zhì)制成的預(yù)成形物。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中在硅化前碳化所述預(yù)成形物。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)所述的方法， 其中通過研磨并碳化粘性纖維和/或纖維素纖維，特別是通過首先研磨所述纖維然后碳化所述纖維，以制造所述碳纖維。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造陶瓷物質(zhì)(100)的方法，所述方法包括如下步驟(S1)制造均質(zhì)混合物，其含有(a)纖維長(zhǎng)度分布D50＜15μm的碳纖維，和(b)至少一種粉狀的并且可碳化的粘結(jié)劑(20)，(S2)在壓力作用下壓緊所述均質(zhì)混合物(30)，(S3)熱處理以碳化或碳化和石墨化所述壓緊的均質(zhì)混合物，從而獲得碳物質(zhì)，和(S4)硅化所述碳物質(zhì)以獲得所述陶瓷物質(zhì)。
文檔編號(hào)C04B37/00GK103025681SQ201180031510
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者安德烈亞斯·金茨勒, 英格麗德·克雷奇默, 比吉特·賴特爾 申請(qǐng)人:西格里碳素歐洲公司