DE1558690B2 - Faser verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Faser verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

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DE1558690B2 DE19671558690 DE1558690A DE1558690B2 DE 1558690 B2 DE1558690 B2 DE 1558690B2 DE 19671558690 DE19671558690 DE 19671558690 DE 1558690 A DE1558690 A DE 1558690A DE 1558690 B2 DE1558690 B2 DE 1558690B2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus einzelnen Fasern mit geschmolzenem Zinn oder einer Zinn oder einer Zinnlegierung als Matrix mit ein- geschmolzenen Zinnlegierung ausfüllt und das Ganze gelagerten Fasern aus Kohlenstoff und ein Verfahren dann abkühlt.
zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes. Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff aus Gra-
Zinn wird industriell in weitem Umfange verwendet. 5 phitfasern und Zinn, der etwa 33,5 Volumprozent Eine der wichtigsten Verwendungen ist die Herstellung Fasern enthält, hat eine Dichte, die um 20 °/0 unter der von schützenden Überzügen auf festeren Materialien von Zinn liegt, einen etwa doppelt so großen Elasti- oder Trägern. Die Verwendung von Zinn allein als zitätsmodul wie Zinn und eine Zugfestigkeit, die etwa Konstruktionsmaterial ist begrenzt durch seine schlech- 24mal höher ist als die von Zinn. Der Verbundwerkten physikalischen Eigenschaften, z. B. durch die io stoff kann durch an sich bekannte Verfahren in jede geringe Zugfestigkeit und den geringen Elastizitäts- gewünschte Form gebracht werden. Seine Eigenmodul. Üblicherweise wird die Zugfestigkeit von Zinn schäften machen es geeignet als Konstruktionsmaterial verbessert durch Legieren mit Kupfer und/oder in Apparaten, deren Teile fest und widerstandsfähig Antimon. Die so hergestellten Legierungen haben gegen Korrosion sein müssen, aber auch noch eine recht geringe Festigkeit. 15 Die Figur zeigt im Querschnitt einen rechteckigen
Es ist schon vorgeschlagen worden, die Zugfestigkeit Körper aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff, von Zinn durch Einlagern eines inerten faserigen Der Körper 1 enthält parallel zueinander angeordnete Materials zu erhöhen. Hierfür bietet sich Fasermaterial Graphitfasern 2 mit einem zusammenhängenden Überaus Kohlenstoff an. Bei Versuchen wurde aber fest- zug 3 aus Nickel auf ihrer Oberfläche, der 2 Mikron gestellt, daß feste, nichtporöse Verbundwerkstoffe aus 20 dick ist. Die so überzogenen Fasern werden zuZinn mit eingelagerten Kohlenstoff-Fasern nicht direkt sammengehalten durch eine Matrix 4 aus Zinn. Die durch Verbinden der Kohlenstoff-Fasern mit der Graphitfasern 2 haben eine Länge von etwa 2,5 cm λ Matrix aus Zinn gewonnen werden können. Wahr- und sind in der Matrix 4 aus Zinn parallel zueinander P scheinlich beruht diese Schwierigkeit darauf, daß die angeordnet. Die Längsrichtung der Fasern 2 ist senk-Kohlenstoff-Fasern durch geschmolzenes Zinn nicht 25 recht zu der Oberfläche der Zeichnung, gut benetzt werden und daß beim Abkühlen der so Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann Koh-
umhüllten Fasern das Zinn wenigstens teilweise sich lenstoff-Fasern behebiger Art und Form enthalten, von den Kohlenstoff-Fasern trennt, wobei Vorzugsweise verwendet man Kohlenstoff-Fasern in Zwischenräume und schwache Stellen in dem Verbund- Form eines einsträngigen Garnes. Die Herstellung werkstoff entstehen. 3° solcher Fasern ist beispielsweise in den USA.-Patent-
Es wurde nun gefunden, daß diese Schwierigkeit Schriften 3 107 152 und 3 116 975 beschrieben, überwunden werden kann, wenn man die Kohlenstoff- Der Überzug kann nach verschiedenen Verfahren
Fasern mit einem dünnen, zusammenhängenden auf die Kohlenstoff-Fasern aufgebracht werden. Zu Metallfilm überzieht, der einen Schmelzpunkt über diesen Verfahren gehört beispielsweise das galvanische dem Schmelzpunkt des Zinns oder der Zinnlegierung 35 Auftragen, das Aufbringen durch thermische Zerhat und leicht durch Zinn oder die Zinnlegierung Setzung einer flüchtigen Metallverbindung, z. B. eines benetzt wird. Dieses Metall soll auch Kohlenstoff Halogenides, oder durch Aufsprühen. Das jeweils leicht benetzen und darf bei der Benetzung mit Zinn verwendete Verfahren hängt von verschiedenen Um- oder der Zinnlegierung keine niedrigschmelzenden ständen ab. Durch Aufsprühen können verhältnis-Legierungen oder spröde intermetallische Phasen 4° mäßig komplizierte Formen überzogen werden, wobei bilden. Vorzugsweise besteht der Überzug aus Nickel, eine sehr feste Bindung zwischen dem Metall und der Titan oder Chrom. Kohlenstoff-Faser entsteht. Eine solche feste Bindung
Die Benetzungsfähigkeit von Graphit durch ge- ist bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff sehr schmolzene Metalle und die Benetzungsfähigkeit von erwünscht. Die thermische Zersetzung eines geeigneten m festen Metallen durch geschmolzenes Zinn ist in der 45 Halogenide erfordert ein Erhitzen der Kohlenstoff-Literatur beschrieben, z. B. in einem Aufsatz von Fasern, was das Überziehen gewisser Formen er-N a i d i c h und Kolesnichenko in der Zeit- schwert. Das galvanische Aufbringen ist ein ausschrift »Poroshkovaya Metallurgia«, Nr. 3 (21), S. 23 gezeichneter Weg zum Überziehen von Kohlenstoffbis 28, Mai—Juni 1964, und in einem Aufsatz von Fasern mit einer dünnen Metallschicht und ist des-Bondi in der Zeitschrift »Chemicals Review«, 52 50 wegen in der Regel bevorzugt. (1953), S. 417 bis 458. Die Metall-Matrix besteht vorzugsweise aus Zinn.
Diese Verbundwerkstoffe sind nicht nur praktisch An Stelle von Zinn können aber auch Zinn-Legierungen porenfrei, sondern sie erhöhen auch die Zugfestigkeit mit Anteilen an niedrigschmelzenden Metallen als von Zinn in einem weitaus größeren Ausmaß als die Legierungskomponente verwendet werden, z. B. mit üblichen Legierungsbestandteile. Sie enthalten zahl- 55 Blei, Antimon und Wismut.
reiche Kohlenstoff-Fasern, von denen jede mit einer Das nachstehende Beispiel erläutert im einzelnen
dünnen Schicht eines Metalls überzogen ist, dessen das erfindungsgemäße Verfahren. Schmelzpunkt über dem Zinn liegt. Die Fasern sind, Ein aus einem einzigen Strang bestehendes Garn
vorzugsweise in paralleler Anordnung, durch eine aus Graphit mit einem mittleren Fadendurchmesser Matrix aus Zinn oder einer Zinnlegierung miteinander 60 von 6,9 Mikron, das aus 720 Einzelfäden bestand, verbunden. wurde in Stücke von etwa 10 cm Länge zerschnitten.
Zur Herstellung dieser Verbundwerkstoffe ist er- Diese Abschnitte des Graphit-Garnes wurden dann findungsgemäß ein Verfahren möglich und vorteilhaft, in Aceton eingetaucht, um das anschließende Übernach welchem die Kohlenstoff-Fasern mit einem ziehen mit Nickel zu erleichtern. Nickel wurde galvadünnen, zusammenhängenden Film aus einem ge- 65 nisch aufgebracht unter Verwendung einer Nickeleigneten Metall überzogen werden, worauf man ein anode und eines Bades, das in 500 ml destilliertem Aggregat der so behandelten Fasern in die gewünschte Wasser 200 g NiSO4 · 6 H2O und 22 g H3BO3 enthielt. Form bringt, die Zwischenräume zwischen den Beim Plattieren wurde die Temperatur auf etwa 52° C
und die Stromstärke zwischen etwa 400 und etwa 1000 mA gehalten. Eine metallographische Untersuchung der so überzogenen Fasern zeigte, daß alle Einzelfäden einen Überzug aus Nickel mit einer mittleren Dicke von 1 bis 3 Mikron hatten. Dann schnitt man das Garn in Stücke von etwa 2,5 cm Länge und brachte sie in ein zylindrisches Rohr von etwa 2,5 cm Länge und einem inneren Durchmesser von etwa 35 mm. Das Rohr war an den beiden Enden geschlossen. Die Oberfläche des Rohres hatte zwölf unregelmäßig angeordnete Löcher oder Öffnungen, um das Eintreten von Zinn in den Zylindern zu erleichtern.
Das zylindrische Rohr mit den Fasern wurde in eine luftdicht abgeschlossene Kammer gebracht, die ein Gefäß mit Zinn enthielt. Dann wurde die Kammer auf einen Druck von etwa 2 · 10~6 mm Hg evakuiert, um die Graphit-Fasern zu entgasen. Die Kammer mit dem darin befindlichen Zinn wurde auf eine Temperatur von etwa 3000C erhitzt. Anschließend tauchte man das Rohr mit den Fasern unter die Oberfläche des geschmolzenen Zinns. Dann füllte man die Kammer mit Argon, bis ein Druck von etwa 1 Atmosphäre erreicht war, um dadurch dem geschmolzenen Zinn zu ermöglichen, alle Zwischenräume zwischen den Graphit-Fasern auszufüllen. Nach etwa 30 Sekunden wurde das Rohr aus dem geschmolzenen Zinn herausgenommen, abgekühlt und aus der Kammer entfernt.
Eine metallographische Untersuchung des so erhaltenen Verbundwerkstoffes zeigte, daß der Nickelüberzug mit den Graphit-Fasern gut verbunden war, daß die Matrix aus Zinn die Fasern gleichmäßig und vollständig benetzt hatte, daß der Zusammenhang des Nickelüberzuges nicht gestört war und daß keine unerwünschten Reaktionszonen zwischen dem Nickel und dem Zinn entstanden waren.
Die physikalischen Eigenschaften des so erhaltenen Verbundwerkstoffes sind in der nachstehenden Tabelle enthalten. Zum Vergleich sind auch die entsprechenden Angaben für reines Zinn wiedergegeben.
45
Material Dichte
g/cm3 		Elastizitäts
modul
• 106 g/mm2 		Zugfestigkeit
kp/mm3
Zinn
Verbundwerkstoff
gemäß der Erfin
dung 		7,05
5,56		 5,5
11,3		 1,4
33,1
50
Die Zahlen zeigen, daß ein Verbundwerkstoff mit etwa 33,5 Volumprozent Graphit-Fasern eine Dichte von etwa 20°/0 weniger als Zinn hat, daß der Elastizitätsmodul etwa doppelt so groß wie der von Zinn ist und daß die Zugfestigkeit etwa 24mal so hoch ist wie die von Zinn.
Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann überall dort angewendet werden, wo es auf eine hohe Korrosionsfestigkeit, eine geringe Dichte und auf eine höhere Zugfestigkeit als die von Zinn ankommt. Das Beispiel beschreibt einen Verbundwerkstoff, bei welchem die Fasern parallel zueinander angeordnet sind. Man kann aber die Graphitfasern auch unregelmäßig in der Matrix aus Zinn anordnen, wenn stärker isotrope physikalische Eigenschaften gewünscht werden, ohne daß die Vorzüge der Erfindung verlorengehen. Ebenso kann auch die Dicke des Metallüberzuges auf den Fasern geändert werden. In manchen Fällen ist eine Dicke von nur 0,1 Mikron genügend. An Stelle von Fasern aus Graphit können auch Fasern und Gewebe aus nichtgraphitischem Kohlenstoff verwendet werden. Ebenso ist es durchaus möglich, die mit Metall überzogenen Kohlenstoff-Fasern auf andere Weise mit geschmolzenem Zinn oder einer geschmolzenen Zinnlegierung zu tränken.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verbundwerkstoff aus Zinn oder einer Zinnlegierung als Matrix mit eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus _ Kohlenstoff mit einem zusammenhängenden Überzug versehen sind, der aus einem Metall besteht, welches einen höheren Schmelzpunkt als Zinn hat, den Kohlenstoff leicht benetzt und das auch von Zinn oder einer Zinnlegierung leicht benetzt wird, ohne daß hierbei niedrig schmelzende Legierungen oder spröde intermetallische Phasen entstehen.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern aus Graphit bestehen.
3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug auf den Kohlenstoff-Fasern aus Nickel, Titan oder Chrom besteht.
4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug auf den Kohlenstoff-Fasern 1 bis 3 Mikron dick ist.
5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern die Form eines Garnes haben.
6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern parallel zueinander angeordnet sind.
7. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zuerst mit dem höher als Zinn schmelzenden Metall überzogen, dann in geschmolzenes Zinn oder in die geschmolzene Zinnlegierung eingetaucht und anschließend abgekühlt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmetall galvanisch oder durch thermische Zersetzung einer flüchtigen Metallverbindung oder durch Aufsprühen aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die überzogenen Fasern im Vakuum entgast, anschließend in das geschmolzene Zinn oder die geschmolzene Zinnlegierung unter Vakuum eingetaucht werden und dann der Druck über die Schmelze erhöht wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen GOPY
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