DE19537137A1 - Metal matrix hollow ball composite material - Google Patents

Metal matrix hollow ball composite material

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kompositwerkstoff mit metallischer Matrix. Derartige Werkstoffe sind mit Fasern, Körnern oder Pulvern aus verschiedenen nichtmetallischen Materialien bekannt, z. B. aus EP 0 487 535 B1. Zur Herstellung wird dabei stets eine Metallschmelze verwendet. In Polymere eingebettete Glaskugeln sind als Reflexionsfolien handelsüblich.The invention relates to a composite material with metallic Matrix. Such materials are with fibers, grains or Powders made from various non-metallic materials known, e.g. B. from EP 0 487 535 B1. The manufacturing process always used a molten metal. Embedded in polymers Glass balls are commercially available as reflective foils.

Die elektrolytische Abscheidung von Metallen und Metall­ legierungen, auch als Galvanoplastik, ist bekannt.The electrolytic deposition of metals and metal alloys, also known as galvanoplastics, are known.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung neuer Komposit­ werkstoffe, die insbesondere eine niedrige Dichte und reduzierte Wärmeausdehnung im Vergleich zum Matrix-Material aufweisen. Das Herstellverfahren soll auch zur Verwendung von Hohlkugeln aus niedrigschmelzendem Material geeignet sein sowie die Herstellung dünnwandiger Teile ermöglichen.The object of the invention is to provide new composites materials, in particular a low density and reduced thermal expansion compared to the matrix material exhibit. The manufacturing process is also intended to use Hollow spheres made of low-melting material may be suitable as well enable the production of thin-walled parts.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Kompositwerkstoff bestehend aus einer Metallmatrix mit eingebetteten Hohlkugeln. Vorteil­ hafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.The task is solved by a composite material made of a metal matrix with embedded hollow spheres. Advantage Adherent embodiments are the subject of dependent claims 2 until 6.

Eine Sandwichstruktur gemäß Anspruch 7 oder 8 ergibt eine besonders leichte hochfeste Struktur.A sandwich structure according to claim 7 or 8 gives one particularly light, high-strength structure.

Das Herstellverfahren für den Kompositwerkstoff nach Anspruch 9 bis 11 sieht vor, daß einem für die elektrolytische Metall­ abscheidung üblichen Elektrolyten die einzubettenden Hohlkugeln zugesetzt werden.The manufacturing process for the composite material according to claim 9 to 11 provides that one for the electrolytic metal deposition usual electrolytes the hollow spheres to be embedded be added.

Überraschend wurde gefunden, daß die Hohlkugeln mit abgeschieden werden, und zwar homogen verteilt. Ihr Anteil im Kompositwerkstoff ist über die Konzentration der Hohlkugeln im Elektrolyten und über die Abscheiderate, also die Stromdichte, steuerbar.Surprisingly, it was found that the hollow spheres with be separated, distributed homogeneously. Your share in Composite material is about the concentration of the hollow spheres in the  Electrolytes and the deposition rate, i.e. the current density, controllable.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.The invention is explained in more detail with reference to the drawing.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Sandwich­ struktur mit Zwischenschicht aus Kompositwerkstoff mit Metallmatrix und Hohlkugeln; Fig. 1 shows schematically in cross section a sandwich structure with an intermediate layer of composite material with a metal matrix and hollow spheres;

Fig. 2 zeigt schematisch eine Elektrolyseanlage zur Durch­ führung eines Herstellverfahrens für einen erfindungsgemäßen Kompositwerkstoff. Fig. 2 shows schematically an electrolysis system for carrying out a manufacturing process for a composite material according to the invention.

Die Sandwichstruktur der Fig. 1 besteht aus den zwei Deckschichten 21 und 22 und der Zwischenschicht 1, die mit Glashohlkugeln 11 gefüllt ist. Diese Sandwichstruktur kann in unterschiedlichen Formen, z. B. ebenen oder gekrümmten Platten, auch mit Verstärkungsrippen auf den Außenseiten der Deckschichten 21, 22, oder z. B. "Honigwaben"-Stegen zwischen den Deckschichten, ausgeführt sein und wird vorzugsweise als Teil von Tragstrukturen von raumfahrttauglichen Instrumenten eingesetzt.The sandwich structure of Fig. 1 consists of the two outer layers 21 and 22 and the intermediate layer 1, which is filled with hollow glass balls 11. This sandwich structure can be in different forms, e.g. B. flat or curved plates, also with reinforcing ribs on the outer sides of the cover layers 21 , 22 , or z. B. "honeycomb" webs between the cover layers, be carried out and is preferably used as part of supporting structures of space-suitable instruments.

Bevorzugte Materialien für die Deckschichten 21, 22 und die Metallmatrix 10 der Zwischenschicht 1 sind Nichtmetalle, vorzugsweise Aluminium und Legierungen davon, z. B. Aluminium- Titan-Legierungen und Aluminium-Magnesium-Legierungen.Preferred materials for the cover layers 21 , 22 and the metal matrix 10 of the intermediate layer 1 are non-metals, preferably aluminum and alloys thereof, e.g. B. aluminum-titanium alloys and aluminum-magnesium alloys.

Dabei können beide Deckschichten 21, 22 und die Metallmatrix 10 aus dem gleichen Material bestehen, was herstelltechnisch Vorteile hat, da bei der Elektrolyse nur die Glaskugeln zugesetzt bzw. wieder entfernt werden müssen. Zur gezielten Steuerung der Festigkeitseigenschaften usw. können aber auch verschiedene Materialien kombiniert werden. Eine Deckschicht 21 kann ein Blech oder dergleichen sein und als Elektrode zur elektrolytischen Abscheidung der Zwischenschicht 1 und der zweiten Deckschicht 22 dienen. Both cover layers 21 , 22 and the metal matrix 10 can consist of the same material, which has advantages in terms of manufacturing technology, since only the glass balls have to be added or removed during electrolysis. Different materials can be combined to control the strength properties etc. A cover layer 21 can be a sheet metal or the like and serve as an electrode for the electrolytic deposition of the intermediate layer 1 and the second cover layer 22 .

Der Gehalt an Hohlkugeln 11, ihre Größe, aber auch ihr Material sind in der ganzen Zwischenschicht 1 in der Regel homogen. Eine Variation dieser Parameter über die Schichtdicke ist jedoch auch möglich.The content of hollow spheres 11 , their size, but also their material are generally homogeneous in the entire intermediate layer 1 . A variation of these parameters over the layer thickness is also possible.

Fig. 2 zeigt als Beispiel und schematisch eine Anordnung zur galvanischen Abscheidung des erfindungsgemäßen Komposit­ werkstoffes 1′ aus Metallmatrix 10 und Hohlkugeln 11, wie er in Fig. 1 als Zwischenschicht 1 vorgesehen ist. Fig. 2 shows an example and schematically an arrangement for the galvanic deposition of the composite material 1 'of the metal matrix 10 and hollow spheres 11 , as is provided in Fig. 1 as an intermediate layer 1 .

Die Anordnung entspricht bis auf die zugesetzten Glashohlkugeln 11 grundsätzlich einer normalen Apparatur zur galvanischen Metallabscheidung und ist ohne Zusatz der Glashohlkugeln 11 unmittelbar geeignet zur Abscheidung der Deckschichten 21, 22 gemäß Fig. 1.Except for the added hollow glass spheres 11 , the arrangement basically corresponds to a normal apparatus for galvanic metal deposition and is directly suitable for the deposition of the cover layers 21 , 22 according to FIG. 1 without the addition of the hollow glass spheres 11 .

In einem Behälter 5 befindet sich die Elektrolytlösung 100 mit dispergierten Glashohlkugeln 11. Eine Rührmaschine 4 mit Rührwerkzeug 41 (z. B. ein Magnetrührer) hält die Glashohlkugeln 11 gleichmäßig verteilt. Zwei Elektroden 31, 32 sind an eine regelbare Stromquelle 3 angeschlossen. An der Kathode 31 wird der Kompositwerkstoff 1′ abgeschieden.The electrolyte solution 100 with dispersed hollow glass spheres 11 is located in a container 5 . A mixer 4 with a stirring tool 41 (for example a magnetic stirrer) keeps the hollow glass balls 11 evenly distributed. Two electrodes 31 , 32 are connected to a controllable current source 3 . At the cathode 31 , the composite material 1 'is deposited.

Als Füllstoff des erfindungsgemäßen Kompositwerkstoffs 1′ dienen in einem Ausführungsbeispiel Hohlkugeln 11 aus Borosilikatglas in einer Mischung mit 20-74 µm Durchmesser, einer Wanddicke von 0,5-2 µm, einer Dichte von 0,22 g/cm³ bei einer Schüttdichte von 0,09-0,17 g/cm³ des Herstellers 3M Deutschland GmbH, Neuss, die unter der Katalogbezeichnung E22/400 angeboten werden.In one exemplary embodiment, hollow spheres 11 made of borosilicate glass in a mixture with a diameter of 20-74 μm, a wall thickness of 0.5-2 μm, a density of 0.22 g / cm³ and a bulk density of 0 serve as filler for the composite material 1 ′ according to the invention. 09-0.17 g / cm³ of the manufacturer 3 M Deutschland GmbH, Neuss, which are offered under the catalog name E22 / 400.

Die Packungsdichte der Hohlkugeln 11 beträgt zwischen ca. 20 und 50 Volumen-Prozent. Bei 40 Volumenprozent reduziert sich die Dichte des Kompositwerkstoffs 1′ mit Reinaluminium als Matrix 10 auf ca. 63% der Dichte von Reinaluminium.The packing density of the hollow spheres 11 is between approximately 20 and 50 percent by volume. At 40 volume percent, the density of the composite material 1 'with pure aluminum as the matrix 10 is reduced to approximately 63% of the density of pure aluminum.

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient wird von
α = 24 · 10-6 K-1 für Reinaluminium
auf α = 2,2 · 10-6 K-1 für 20 Vol. % Packungsdichte
und α = 1,45 = · 10-6 K-1 für 50 Vol. % Packungsdichte
reduziert.The linear coefficient of thermal expansion is from
α = 24.10 -6 K -1 for pure aluminum
to α = 2.2 · 10 -6 K -1 for 20 vol.% packing density
and α = 1.45 = · 10 -6 K -1 for 50 vol% packing density
reduced.

Die elektrolytische Abscheidung der erfindungsgemäßen Schicht aus Kompositwerkstoff 1′ mit Reinaluminium als Metallmatrix gelingt beispielsweise mit einer üblichen Elektrolytlösung mit Aluminiumchlorid, Lithiumaluminiumhydrid und Tetrahydrofuran bei einer Stromdichte von 0,5 A/dm² und einem Gehalt an Glaskugeln 11 der obengenannten Sorte von 20 Vol.% im Elektrolyten 100. Der Gehalt an Hohlkugeln 11 im Komposit­ werkstoff 1′ erreicht dann 40 Vol.%.The electrolytic deposition of the layer according to the invention made of composite material 1 'with pure aluminum as the metal matrix succeeds, for example, with a conventional electrolyte solution with aluminum chloride, lithium aluminum hydride and tetrahydrofuran at a current density of 0.5 A / dm² and a content of glass balls 11 of the above-mentioned type of 20% by volume. in the electrolyte 100 . The content of hollow balls 11 in the composite material 1 'then reaches 40 vol.%.

Beachtlich ist, daß so dickere Schichten schneller abgeschieden werden, als bei der reinen Metallelektrolyse, da für den Hohlkugel-Anteil kein Ladungstransport erforderlich ist.It is remarkable that thicker layers are deposited faster than in pure metal electrolysis, because for the Hollow ball portion no charge transport is required.

Die angegebenen Daten sind nur Beispiele. Insbesondere können andere Elektrolyseverfahren, auch für andere Metalle und Legierungen - natürlich bevorzugt Leichtmetalle, um den Dichtevorteil zu nutzen - ohne weiteres angewendet werden.The data given are only examples. In particular can other electrolysis processes, also for other metals and Alloys - of course, prefer light alloys around which Use density advantage - be applied without further notice.

Claims (11)

1. Kompositwerkstoff bestehend aus einer Metallmatrix (10) mit eingebetteten Hohlkugeln (11).1. Composite material consisting of a metal matrix ( 10 ) with embedded hollow spheres ( 11 ). 2. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugeln (11) 10-70 Volumenprozent, vorzugsweise 20-50 Volumenprozent, des Kompositwerkstoffs einnehmen.2. Composite material according to claim 1, characterized in that the hollow balls ( 11 ) occupy 10-70 volume percent, preferably 20-50 volume percent, of the composite material. 3. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugeln (11) 10-200 µm, insbesondere 20-80 µm Durchmesser haben.3. Composite material according to claim 1 or 2, characterized in that the hollow balls ( 11 ) have 10-200 microns, in particular 20-80 microns in diameter. 4. Kompositwerkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugeln (11) eine Wanddicke von 0,2-5 µm, insbesondere 0,5-2 µm, haben.4. Composite material according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the hollow balls ( 11 ) have a wall thickness of 0.2-5 µm, in particular 0.5-2 µm. 5. Kompositwerkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkugeln (11) aus Glas, insbesondere Borosilikatglas bestehen.5. Composite material according to at least one of claims 1-4, characterized in that the hollow balls ( 11 ) consist of glass, in particular borosilicate glass. 6. Kompositwerkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix (10) aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht.6. Composite material according to at least one of claims 1-5, characterized in that the metal matrix ( 10 ) consists of light metal, preferably of aluminum or an aluminum alloy. 7. Sandwichstruktur mit zwei metallischen Deckschichten (21, 22) und einer Zwischenschicht (1) aus einem Komposit­ werkstoff nach mindestens einem der Ansprüche 1-6.7. sandwich structure with two metallic cover layers ( 21 , 22 ) and an intermediate layer ( 1 ) made of a composite material according to at least one of claims 1-6. 8. Sandwichstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix (10) und die metallischen Deckschichten (21, 22) aus dem gleichen Material bestehen.8. Sandwich structure according to claim 7, characterized in that the metal matrix ( 10 ) and the metallic cover layers ( 21 , 22 ) consist of the same material. 9. Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffs nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verfahren zur elektrolytischen Metallabscheidung angewendet wird und dem dazu dienenden Elektrolytbad (100) Hohlkugeln (11) zugesetzt werden.9. A method for producing a composite material according to at least one of claims 1-6, characterized in that a method for electrolytic metal deposition is used and the serving electrolyte bath ( 100 ) hollow balls ( 11 ) are added. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytbad (100) eine Dispersion mit 5 bis 50 Volumenprozent Hohlkugeln (11) ist.10. The method according to claim 9, characterized in that the electrolyte bath ( 100 ) is a dispersion with 5 to 50 percent by volume of hollow spheres ( 11 ). 11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt (100) Aluminiumchlorid, Lithiumaluminiumhydrid und Tetrahydrofuran enthält.11. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the electrolyte ( 100 ) contains aluminum chloride, lithium aluminum hydride and tetrahydrofuran.
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