DE1646411B2 - Verfahren zur herstellung faserverstaerkter werkstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /ur Herstellung von faserverstärkten Werkstoffen.

Es ist bereits bekannt, daß die mechanischen und thermischen Eigenschaften eines metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffes durch das Einlagern von Fasern, besonders metallischen Fasern (1 bis 20 μ) oder dünnen Drähten (20 bis 100 μ) wesentlich verändert werden.

Su wird z. B. bei der Einlagerung von Metallfasern oder -drähten in eine nichtmetallische. /. B. oxydise.ie Matrix mit schlechter Wärmeleitfähigkeit diese und /um Teil damit auch die Temperaiurwechselbeständigkeit entsprechend der Menge der eingelagerten Fasern verbessert. Haben die Fasern oder Drähte eine höhere mechanische Festigkeit als das Matrixmaterial, so werden die mechanischen Eigenschaften der Matrix, deren Zug- und Biegefestigkeit erhöht sowie bei sproilcn Matrixmaterialien die Rißbildung und -ausbreiverhindert b/w. verzögert. Lagert man warnifesle

60 Metallfasern oder -drähte in Matrixmaterialien aus Metallen oder Metallegierungen ein, so wird diesen eine höhere Warmfestigkeit verliehen, während die thermischen Eigenschaften nur unwesentlich verbessert werden.

Bisher wurden die Fasern oder Drähte hauptsächlich lose von Hand eingebracht oder vorher über Rähmchen gespannt, die ihnen während des Einbettungsprozesses einen Halt geben. Noch einfacher war es, aus den Fasern oder Drähten Gewebe oder Netze vorzufertigen und diese schichtweise in die geschmolzene odei zumeist pulverförmige Matrix vor dem Formgebungsverfahren, besonders durch Pressen, einzubetten. So hat man bereits Wolframdraht in Kupferschmelzen eingebettet oder in Kupferpulver, das dann zweckmäßig unter Preßdruck gesintert wurde. In ähnlicher Weise hat man Stahldrähte in Aluminium eingebettet.

Auch non-woven-Stoffc in Form von Filzen. Vliesen oder locker zusammengedrückten, gegebenenfalls auch versinterten Matten sind schon in eine pulverförmige Matrix oder in eine Matrix in Form einer Flüssigkeit oder eines keramischen Gießschlickers eingebettet worden.

Alle diese bekannten Verfahren bieten aber nicht die Gewähr, daß die Fasern oder Drähte in der Matrix völlig gleichmäßig verteilt sind. Außerdem ist die durchgehend gute Haftung zwischen Faser und Matrix in Frage gestellt. Ferner entstehen bei der Verwendung von Geweben oder Netzen zur Matrixverstärkung leicht Lufteinschlüsse, die nur schwer entfernt werden können.

In der DT-AS 11 58 895 wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffkörpern auf der Basis von faserigem Kohlenhydratmaterial mit geringer Gasdurchlässigkeit für die Kerntechnik beschrieben. Durch entsprechende chemische und mechanisch-chemische Behandlung kann aus diesem Material in einer Zentrifuge ein rohförmiges Teil mit allerdings geringer Festigkeit hergestellt werden, das durch anschließende Wärmebehandlung bei verschiedenen Temperaturen und unter verschiedenen Gasen zu einem mikroporösen Körper ausreichender Festigkeit gewandelt werden kann. Dabei verbinden sich die faserigen Anteile durch chemische Pro/esse, z. B. Kondensation, miteinander. Demzufolge betrifft diese Ausiegeschrift nicht einen aus mehreren Werkstoffen bestehenden Verbundkörper, sondern verdichtete — nicht jedoch in ein Matrixmaterial eingebettete — Fasern aus einem karbonisierten Kohlenhydratmaterial. Bei der Herstellung faserverstärkter Werkstoffe müssen jedoch die chemischen Reaktionen mit Absicht vermieden werden, um die Haftung zwischen Fasern und Matrix sowie der Matrixpartikeln untereinander nicht zu beeinträchtigen und um ein möglichst dichtes Gefüge und damit hohe Festigkeit /u erlangen.

Aus der DT-AS 11 78 7t>5 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Gewebe oder lose Fasern aus organischem Material mit einem /weilen Stoff getränkt werden, der sich dutch einen chemischen Vorgang in einen anderen Stoff umwandelt. Die organischen Fasern zusammen mit polymerisierbareri organischen Stoffen bilden bei höherer Temperatur dann einen Kohlekörper, in dem sich dieser /weite Stoff eingebettet befindet. Diese Einbettung hat jedoch keine mechanische Wirkung und ist als Teil eines Kernbrennstoffes anzusehen. Diese gasdichte Einbettung bewirkt, daß die Spaltprodukt des Urans die gasdichte Kohlekammer nicht verlassen können. Nach diesem Verfahren finden demzufolge

ebenfalls chemische Prozesse und Graphitierungsprozesse statt, die Fasern berühren sich gegenseitig und werden als Grundmaterial, nicht als Verstärkung und verstärkte Einlagerung verwendet. Bei den in dieser Auslegeschrift beschriebenen Körpern mit Einlagerung handelt es sich nicht um Verbundwerkstoffe.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zu finden, durch welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden und die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Matrix durch die Einbettung von Fasern oder dünnen Drähten bis zu 100 μ verbessert werden und außerdem eine gleichmäßig gute Haftung zwischen Faser und Mitrix gewähr'eistet wird.

Es wurde nun gefunden, daß jede Faser optimal von Matrix umhüllt wird, wenn man zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe ein Verfahren anwendet, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zur Verwendung kommenden Fasern von I bis 20 μ oder dünnen Drähte mit einer Stärke von 20 bis 100 μ mil einer oder mehreren Schichten aus Matrixmaterial überzogen und dann zusammengepreßt werden.

Bei der Herstellung von Formkörpern werden die mit Matrixmaterial überzogenen Fasern oder Drähte zweckmäßig /u Stapeln geschnitten und in Matrizen »5 eingelegt, in denen sie zu Formkörpern zusammengepreßt werden. Je nach dem fur die Matrixschichten verwendeten Material werden die zusammenzupressenden, mit Matrixschichten überzogenen Fasern bei Anwendung des Preßdrucks einer entsprechend erhöh- ya ten Temperatur ausgesetzt, um eine Verklebung oder Versinterung der auf die Fasern aufgebrachten Matrixschichten zu erzielen.

Die Matrixschichten können auf den Fasern oder Drähten während bzw. nach deren Herstellung durch Hindurchziehen, z. B. durch keramischen Schlicker oder eine andere das Matrixmaterial gelöst oder als Suspension enthaltende Flüssigkeit, wie Lacklösungen oder Kunststoffsuspensionen mit Thermoplasten, oder durch chemisches oder galvanisches Niederschlagen aus einer geeigneten Lösung oder durch Abscheiden aus der Dampf- oder Gasphase hergestellt werden.

Die Fäden oder Drähte bleiben zu diesem Zweck entweder kalt oder werden vorerwärmt oder während des Passierens erhitzt.

Schließlich ist es auch möglich, den Faden oder Draht mit festem Material in Form feinsten Pulvers zu bestäuben und diesen Staub durch geeignete Haftvermittler, z. B. Klebstoffe, oder durch elektrostatische¹ Anziehung auf der Drahtoberfläche zu binden.

Die so beschichteten Fäden oder Drähte werden noch kontinuierlich durch Trocknungs- oder andere Erhitzungszonen, z. B. zum Aufsintern, geführt. Danach werden die Fäden oder Drähte in geeigneter Weise zu Stapelfasern geschnitten für die spätere Einbettung in die Formgebungsmatrizen.

Die hierbei in gleicher Richtung verlaufenden Fasern oder Drähte dienen, sobald sie parallel zur Beanspruchungsrichtung verlaufen, zur Aufnahme und Übermittlung der Zug- und Scherspannungen, d. h. also zur Erzielung einer optimalen Verstärkung.

Bei der erfindungsgemäßen Einbettung liegen die einzelnen Fasern oder Drähte gestreckt, wobei eine gegenseitige Berührung vermieden ist, weil eine ausreichende Schichtdicke an Matrixmaterial zwischen den einzelnen Fasern oder Drähten vorhanden ist, die überdies für eine gute Krattschlüssigkeit bei der Übertragung von an der Matrix angreifenden Kräften auf die Fasern und umgekehrt sorgt.

Bei dem Zusammenpressen wird das auf die Fasern oder dünnen Drähte aufgebrachte Matrixmaterial unter Anwendung einer dem Matrixmaterial entsprechend erhöhten Temperatur verformt, so daß die Hohlräume zwischen den matrixumhüiiten Fasern oder dünnen Drähten ausgefüllt werden. Dadurch, daß jede Faser oder jeder Draht eine etwa gleich starke Matrixmaterialhülle ti ägt, ist gewährleistet, daß in dem verdichteten Formling die eingebetteten Fasern oder dünnen Drähte etwa gleiche Abslände und gleiche Orientierung haben, wobei die gegenseitige Berührung dei Fasern oder Drähte geradezu völlig vermieden ist.

Prinzipiell ist es auch möglich, die Fasern nach dem Schneiden in Stapelfasern zu beschichten. In bestimmten Fällen, wo es nicht auf orientierte Einlagerung ankommt, kann dieses Verfahren angebracht sein. Hierzu werden die Fasern entweder in einem Wirbelbett nach dem bekannten Verfahren über die Abscheidung aus der Dampfphase beschichtet oder sie werden z. B. in eine rotierenden Trommel kontinuierlich mii einer das Matrixmaterial enthaltenden Flüssigkeit besprüht, so daß sich eine annähernd gleichmäßige Schicht allseitig auf den Fasern niederschlägt bzw. bildet.

Beispiel

a) Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in Aluminiumoxid Niobdrähte bzw. Bänder eingeh gen. Bei dichtgesinterten Körpern im Kaltbiegeversuch erhöht sich die Biegefestigkeit um 30 bis 40%.

b) Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in Zementproben Silikatfasern, Kohlenstoffasern oder Stahldrähte eingelagert. Die Biegefestigkeit dieser Proben beträgt das 2- bis 4fache der unverstärkten Zementproben.

c) Stahldrähte mit einer Stärke von 20 bis 100 μ werden mit Aluminiumpulver beschichtet, die Drähte geschnitten und in einer Matrize zurückgesintert. Die Kaltzugfestigkeit solcher Körper liegt gegenüber unverstärkten Aluminiumsinterkörpern 2- bis 5mal hoher, je nach Gehalt der Stahldrähte und deren Festigkeit. Die Stahldrähte waren jeweils in Richtung der angreifenden Kräfte beim Zugversuch und beim Biegeversuch vorzugsweise längs der zu biegenden Proben angeordnet.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kommenden Fasern von 1 bis 20 μ oder dünnen Drähte mit einer Stärke von 20 bis 100 μ mit einer oder mehreren Schichten aui Matrixmaterial überzogen und dann zusammengepreßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Matrixschichten überzogenen Fasern zu Stapeln geschnitten und in Matrizen eingelegt werden, in denen sie zu Formkörper!! zusammengepreßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von Matrixschichten umgebenen Fasern allein oder unter Zusatz von weiterem Matrixmaterial unter Preßdruck einer dem Matrixmaterial entsprechend erhöhten Temperatur ausgesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixschichten auf den Fasern während oder nach der Herstellung der Fasern durch Hindurchziehen durch einen keramisehen Schlicker oder eine andere das Matrixmaterial gelöst oder als Suspension enthaltende Flüssigkeit oder durch Abscheiden aus der Flüssigkeil, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung unterstützt wird, oder durch Abscheiden aus der Dampf- oder Gasphase hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern i.T orientierter Lage parallel zur Beanspruchungsrichtung eingelagert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht orientierter Einlagerung die Fasern durch Besprühen mit Matrixmaterial enthaltenden Suspensionen oder Lösungen oder durch Bestäuben mit trockenem Malrixmaterialpulver, das durch Vermittlung geeigneter Haft- oder Klebstoffe auf den Fasern gehalten wird, auf einem rotierenden Teller, einem laufenden Band oder im Inneren einer rotierenden Trommel mit Matrixmaterial überzogen werden.