DE2018024A1 - Verfahren zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht und Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht und Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens

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DE2018024A1
DE2018024A1 DE19702018024 DE2018024A DE2018024A1 DE 2018024 A1 DE2018024 A1 DE 2018024A1 DE 19702018024 DE19702018024 DE 19702018024 DE 2018024 A DE2018024 A DE 2018024A DE 2018024 A1 DE2018024 A1 DE 2018024A1
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Hans Sulz; Kilhas Heinz Dr. Rufenach; Lamotte Emmanuel de Dr. Oberrohrdorf; Rowcliffe David Dr. Untersiggenthal; Beutler (Schweiz). M
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36Elongated material
    • C23C2/38Wires; Tubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
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Description

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-Aktiengesellschaft Brown, iSoveri £ Cie., Baden (Schwel?..)
Verfahren zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Kohlenstoff ist in der Form von starken steifen Fasern erhältlich. Diese Fasern werden in einem Strang angeliefert, welcher ungefähr 1O1OOO Fasern mit einem Durchmesser von Je 8 bis 10μ enthält, wobei ,!ede der ■ Fasern eine Länge von bi3 zu 1000 m aufweist. Diese Stränge weisen einen Querschnitt von ungefähr 5nim Breite und 1 bis 2mm Dicke auf. Unter der Annahme, dass
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der Querschnitt des Stranges 5mm und der Querschnitt von IO1OOO Fasern 0,5 bis 0,8 ram beträgt, ist es ersichtlich, dass der Strang sehr lose gepackt ist. Ferner ist es bekennt, dass die Festigkeit von 1,'etallen durch einlagern von starken Fasern in ihre Matrix erhöht werden kann. Jedoch i3t der Gewinn an Festigkeit
dann beachtlich, wenn der Volumenanteil der Fasern ungefshr 50'j, oder mehr beträgt. Die grosse Schwierigkeit ist tiedoch die Erhöhung der Dichte der lose gepackten Stränge und die Einfügung derselben in die Äietallmatrix.
Ss r,ind bereits seit Jahren Fasern und Fäden der verschiedensten Arten erhältlich und Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung und zum V/lckeln derselben bekannt. Es wurden auch bereits erfolgreich Kohlenstoff-Fasern in Kunststoff- oder Harzgrundgefüge eingelagert. Die Einlagerung von Kohlenstoff-Fasern in eine Metallmatrix ist jedoch ein sehr neues Anwendungsgebiet. Es wurden bereits Versuche gemacht, die Kohlenstoff-Fasern mit Aluminium zu plattieren und darnach die sich ergebenden Platten heiss zu pressen, was jedoch sehr umständlich, zeitraubend und teuer ist.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht, mit welchem ein hoher Voluraenantöil an Kohlenstoff-Fasern erzielbar ist.
Das erfindungsgein^sse Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man einen Strang lose gepackter Kohlenstoff-Fasern durch eine zur Bildung des Metalldrahtes dienende Metallschmelze leitet und darnach den mit letzterer durchtränkten Strang zur Verminderung seines Querschnittes und Erhöhung der Packungsdichte d^r Kohlenstoff-Fasern durch mindestens einen Zishstenroel führt. ■
Es ist z.veckmä3sig, dass man mit Wickel überzogene Kohlenstoff-Fasern verwendet und diese durch eine Metallschmelze leitet, dsren Temperatur unterhalb der Schnelztemoeratur von Nickel liegt. Vorzugsweise verwendet man dabei eine Metallschmelze mit solcher Zusammensetzung, dass sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern aufgebrachten Nickelschicht derart reagiert, dass die entstehenden Heaktionsprodukte die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes nicht beeinträchtigen.
Es i3t Ziveckmössig, dass man den aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Strang unter einem solchen
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fakuum oder Schutzgas durch die Metallschmelze leitet, dass keine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten auftritt.
Vorzugsweise fügt man der Metallschmelze Legierungszusätze bei, welche die spezifische Oberflächenspannung der Schmelze gegenüber den Kohlenstoff-Fasern erniedrigen.
Zweckm^ssigerv/else verringert man den Querschnitt des aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden
Stranges beim Durchgang durch den Ziehstempel um soviel, dass der Volumenanteil der Kohlenstoff-Fasern mindestens 1Oy0
beträgt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass 3ie eine Zuführanordnung zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges in die Metallschmelze , einen beheizten Behälter zur Aufnahme der letzteren, und mindestens einen Ziah^terapel zur Durchführung des aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges, auf .ve ist.
Es ist zweckmässig, dass der Behälter zur Aufnahme der Metallschmelze luftdicht verschlossen und mit mindestens
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einer Zuleitung versehen ist, um Im Behälter ein \Takuum zu erzeugen oder ein Schutzgas in denselben einzuführen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform einer erflndungsgemSssen Vorrichtung; und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise Au3führungsform einer erfindungsgemSsaen • Vorrichtung.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist die erste beispielsweise Ausführungsform eine erfindungsgemäase Vorrichtung eine Strangspule 1 zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges 2 in eine Metallschmelze 3, z.B. in eine Aluminiumschmelze, auf. Um eine gute Benetzbarkeit der Kohlenstoff-Fasern durch die Aluminiumsohmelze zu erzielen, sind die ersteren vollständig mit Nickel überzogen« · .
Die Metallschmelze 3 befindet sich in einem durch die Spule 4 beheizten Behälter 5, welcher luftdicht verschlossen ist und eine Zuleitung 6 zur Erzeugung eines Vakuums in aeinem Innern aufweist.
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Der Zioiistempel 7 zur Durchführung des Stranges und Verminderung de.rjen Querschnittes ist im Boden dos Behälters ζ en^eordnet, wo der hydrostatische Drvck in der Alurainiumschmelze 3 am grössten ist. Im Ziehatenmel 7 i^t ferner ein Thermoelement 8 angeordnet, du die Temperatur der am dtrtangaus&ritt sich befindenden fästallschmelze sehr nahe beim Schmelzpunkt des fcetalles liegen soll, so dasa noch alles Metall geschmolzen, iac, ,lecioch nach dem Austritt aus «Sem Ziehsterapel 7 erstarrt idt. Im Zieliubempel 7 wird der Querschnitt des Stranges .? so stark vermindert,, dass der Yolumenanteil der Kohlenstoff-Fasern im aus dem Stempel austretenden Draht ° etwa 5°'/« betragt«,
Der aus dem Stempel 7 austretende DF9ht 9 verlauft auf der anschliessendon Abkühlsfcrecke noch durch ein Rohr 1O9 4&s zusam'ien mit dem Innern des B&nälters 5 unter einoüi Vakuum von oWa 10 sun Ug genalten airä, um zu verhindern, äaus eine Oxydation zwiscHsfi den einseinen komponenten auftritt,.
Am linde des ßohres 10 sind am Draht 9 anli03er.de rinro 11 angeordnet, die sin eintreten von Luft in das Inn3ro. des Jlohres lü verhindern.
D«r mit Kohlenstoff-Fasern varstfirkte Aluminlumdraht n ν-..γ n»iOh dem Austritt atia^de-p. Hohr 10 z.B. auf eine -Spul· «<£f-
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gespult werden.
Zur Ürzielung eines einwandfreien, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Drahtes 9 kann es zy/eckmässig sein, dass-man der Aluininiumschmelze 3 Leglerungszusstze beifügt, weiche die spezifische Oberflächenspannung der letzteren gegenüber den Kohlenstoff -Fasern erniedrigen.
Bei der V/ahl der Metallschmelze 3 1st darauf zu achten, da3S sie eine solche chemische Zusammensetzung aufweist, dass sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern sich befindenden Nickelschicht derart reagiert, dass die entstehenden Reaktionsnrodukte die mechanischen Eigenschaften des Drahtes 9'nicht beeinträchtigen.
In Figur 2 ist eine'zweite beispielsweise Ausführungsforra einer erfindungsgemSssen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird der Strang 2 von der Spule 1 nach unten in die Schmelze 3 geführt, ein Stück durch diele hindurch geleitet, so dass die Kohlenstoff»Fasern vollständig durch der Metallschmelze benetzt werden, und dann durch eine Umlenkspule 12 nach oben umgelenkt und durch einen an der oberen Gehäusewandung befestigten Ziehstempel 7 gezogen. Die nach;dem Ziehstempel 7 anschliessende Abkühl-, strecke wird durch ein mit dem .GehäuseInnern in Verbindung
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stehendes Rohr 10 noch ein Stück #eit unter Vakuum gehalten. Am Ende des -Rohres 10 angebrachte Dichtungsringe liegen dicht am gezogenen Draht 9 an und verhindern dadurch ein eintreten von Luft in das Innere des Rohres
10. Ueber die Zuleitung 6 wird das Innere des GehBuses
-4 beispielsweise bis auf einen Druck von 10 mm Hg evakuiert, um eine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten zu verhindern.
Auch hier wird wie bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung die im. Behälter 5 sich befindende Metallschmelze von au3sen durch eine Spule 4 beheizt.
Das erfindungsgernü3se Verfahren ist zum Beispiel zur Verstärkung von Drähten aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Zink und anderen Metallen geeignet. Eine wichtige Einschränkung ist, dass der Schmelzpunkt des zu verstärkenden Metalles nicht so hoch liegen 30llte, dass die mechanischen Festigkeitseigenschaften der Kohlenstoff-Fasern beeinträchtigt werden.
Derart verstärkte Drähte können z.B. im Kraftleitungsbau . verwendet werden. Unter Anwendung der bekannten 'Vickel-
verfahren können z.B. Röhren, Zentrifugenkörper und ähnliche Teile hergestellt v/erden. Die derart hergestellten
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DrShte können statt einem runden Querschnitt auch
einen rechteckförmigen oder anderen ziehbaren Querschnitt aufweisen.
RAD 109830/1 IU BAU

Claims (1)

  1. - 10 - 8/70
    Patentansprüche
    1. Verfahren zur kontinuerlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht» dadurch gekennzeichnet, dass man einen Strang lose gepackter Kohlenstoff-Fasern durch eine zur Bildung des Metalldrahtes dienende Metallschmelze leitet und darnach den mit letzterer durchtränkten Strang zur Verminderung seines Querschnittes und Erhöhung der Packungsdichte der Kohlenstoff-Pasern durch mindestens einen Ziehstempel führt,
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einer Benetzungsschicht Überzogene Kohlenstoff-Pasern verwendet und diese durch eine Metallschmelze leitet, deren Temperatur unterhalb der Sehmelztemperatur des Benetzungsmaterials liegt.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenstoff-Pasern verwendet, die mit einer aus Nickel bestehenden Benetzungsschicht überzogen sind.
    4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Metallschmelze mit solcher Zusammensetzung verwendet, dass sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern aufgebrachten Benetzungsschicht derart reagiert, dass die entstehenden Reaktionsprodukte die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes nicht beeinträchtigt.
    ■iüea3ii:/tiT4; ίΛ:; bad origin^
    - 11 - 8/70
    ■5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2., dadurch gekennzeichnet, dass man eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallschmelze verwendet.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine aus- Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehende Metallschmelze verwendet.
    7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Strang unter einem solchen Vakuum oder Schutzgas durch die Metallschmelze. leiteti dass keine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten auftritt.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze unter einem Vakuum von mindestens 10~ mm Hg hält.
    9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenstoff ^-Fasern verwendet, deren Ausgangsmaterial Polyakrylnitril ist.
    10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der Metallschmelze Legierungszusätze, beifügt, welche die spezifische Oberflächenspannung der Schmelze gegenüber den Kohlenstoff-Fasern erniedrigen.
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    — 12 - 8/70
    11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strang lose gepackter Kohlenstoff-Fasern beim Austritt aus der Metallschmelze durch einen Ziehstempel führt.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strang nach dem Austreten aus dem Ziehstempel bis zu seiner Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur unter einem Vakuum hält.
    ™ 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man den Ziehstempel auf einer solchen Temperatur hält, dass das die Kohlenstoff-Fasern umgebende Metall des aus ihm austretenden Strnages nicht mehr flüssig ist.
    Ik. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Querschnitt des aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges beim Durchgang durch den Ziehstempel um soviel verringert, dass der Volumenanteil der Kohlenstoff-Fassrn mind. 10 % beträgt.
    15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zuführanordnung (1) zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges (2) in die Metallschmelze, einen beheizten Behälter (5) zur Aufnahme der letzteren, und mindestens einen Ziehstempel (7) zur Durchführung des aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges (2) aufweist.
    BAD ORIGINAL
    !0/1114
    - 13 - 8/70
    16. Vorrichtung nach Anspruch 15> dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehstempel (7) derart in der Behälterwand angeordnet ist, dass er während dem Betrieb der Vorrichtung auf der Einführseite von der Metallschmelze (3) überdeckt ist.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, dass· Führungsmittel zur Führung des Stranges (2) durch die Metallschmelze (3) vorgesehen sind und der Ziehstempel (7) oberhalb derletzteren angeordnet ist.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (5) zur Aufnahme der Metallschmelze (3) luftdicht verschlossen und mit mindestens einer Zuleitung versehen ist, um im Behälter ein Vakuum zu erzeugen oder ein Schutzgas in denselben einzuführen.
    Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
    Leerseite
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2652183A4 (de) * 2010-12-17 2017-04-05 Cleveland State University Nanostrukturierter ultraleitfähiger nanokomposit-kupferdraht

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DE2018024B2 (de) 1973-11-08
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