DE2756015A1

DE2756015A1 - Verbundstruktur und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2756015A1
Application number: DE19772756015
Authority: DE
Inventors: Karl Michael Prewo
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-17
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1978-11-02
Also published as: CA1079011A; FR2374162B1; SE7714253L; IL53515A; JPS5376905A; FR2374162A1; GB1562270A; BE861498A; IL53515A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur mit einem Aluminiumgrundmaterial, das mehrere Schichten von Fäden enthält, und eine entsprechend hergestellte Verbundstruktur.

Ein in der US-PS 3 984 043 beschriebenes Sehne11verbindungsverfahren macht es möglich, einen Verbundwerkstoff aus einem durch mehrere parallele Schichten von unidirektionalen Fäden verstärktem Aluminiumgrundmaterial in Luft

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herzustellen. Diese "Luftverbindungs"-Verfahren beinhaltet das Anordnen von mehreren Einschichtbändern aus fadenverstärktem Aluminiumgrundmaterial zu einem Stapel und das anschließende Pressen des Stapels zwischen erhitzten Platten oder Werkzeugen bei hohem Druck in Luft, um das Grundmaterial zu verdichten, wobei die Plattentemperatur bewirkt, daß das Grundmaterial unlösbar mit den Fäden verbunden wird. Gemäß dieser US-Patentschrift wird angenommen, daß die Einschichtbänder am besten dadurch hergestellt werden, daß die Schicht von Fäden mit einer Aluminiuraträgerfolie durch einen plasmagespritzten Metallüberzug, beispielsweise aus Aluminium, auf der von der Folie abgewandten Fläche der Fäden hergestellt wird.

Ziel der Erindung ist es, weniger teuere Formen von Bändern zu schaffen, die gleich akzeptable Verbundstrukturen ergeben.

Die Erfindung schafft ein Einschichtfadenband, das aus parallel angeordneten Fasern, vorzugsweise aus Borfasern, die in einigen Fällen mit einem Siliciumüberzug versehen sind, besteht, die in parallel ausgerichteter Form durch mit den Fasern verwobene Metalldrähte gehalten werden. Dieses Band wird dann zwischen Aluminiumfolien bei der Herstellung einer gestapelten, hochfesten Verbundstruktur angeordnet, die in sich unlösbar verbunden und verdichtet wird, indem sie zwischen beheizten Platten bei hohem Druck

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und bei einer Temperatur unterhalb der Liquidustemperatur des Aluminiumgrundmaterials zusammengedrückt wird. Mit diesem Band kann das Zusammendrücken und Verbinden in Luft erfolgen, wie bei dem aus der oben genannten US-Patentschrift bekannten Verfahren, wodurch die Notwendigkeit einer Vakuumkammer für das Verdichten upd Verbinden sowie die lange Zeitspanne, die zum Auspumpen und zum anschließenden Erhitzen in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre erforderlich ist, vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird das Band hergestellt, indem eine einzelne Schicht von parallel ausgerichteten Fasern gebildet wird und diese mit Metalldrähten kreuzweise durchwirkt wird, die dazu dienen, die Fasern in der einzelnen Schicht in dem parallel ausgerichteten Zustand während des Zusammensetzens mit Aluminiumfolieschichten bei der Herstellung der mehrschichtigen Verbundstruktür festzuhalten. Die mit den Fasern verflochtenen Drähte sind in gegenseitigem Abstand angeordnet und es wird eine minimale Anzahl dieser Querdrähte benutzt, die gerade groß genug ist, um das Handhaben der Schicht paralleler Fäden ohne Beeinträchtigung ihrer Integrität zu gestatten.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische An-

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sieht des Bandes,

Fig. 2 eine vergrößerte Endansicht eines

Stapels von Bändern, und

Fig. 3 eine vergrößerte Endansicht eines

fertigen Verbundwerkstoffes.

Ein besonderes Verfahren zum Zusammenbauen und Verbinden von mehreren übereinander gestapelten Bändemist in der oben erwähnten US-PS 3 984 043 beschrieben, wo das Zusammenbauen, die Verdichtung und das unlösbare Verbinden sämtlich in Luft ausgeführt werden, wodurch sich eine billige Schnellverbindung mit geringeren Beschränkungen hinsichtlich der Größe der fertigen Verbundstruktur ergibt. Durch dieses Verfahren wird die Größe der fertigen Verbundstruktur nur durch die Größe der verfügbaren Presse und nicht durch die Größe von verfügbaren Vakuumkammern begrenzt, die erforderlich sind, wenn das Verdichten und das Verbinden im Vakuum ausgeführt werden. Das Band nach der Erfindung stellt eine einfache Form eines Bandes dar, das bei diesem Verfahren von besonderem Nutzen ist und selbst einfach und billig herstellbar ist. Dieses Band kann bei dem Luftverbindungsverfahren benutzt werden, um eine akzeptable Verbundstruktur mit ausreichender Festigkeit herzustellen.

Zur Herstellung dieses Bandes werden mehrere Fäden oder Fasern 2, beispielsweise Borfasern, Siliciumcarbidfasern

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oder mit Siliciumcarbid überzogene Borfasern, in einer einzigen Schicht parallel angeordnet, wie es Fig. 1 zeigt. Diese Fäden in der Schicht sind nicht in gegenseitigem Kontakt und werden in dem gewünschten Abstand und in der Einschichtkonfiguration durch Querdrähte 4 gehalten, die mit den Fasern, vorzugsweise unter einem Winkel von 90 zu den Fasern, durchwirkt und in gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Es werden nur so viele Querdrähte benutzt, wie benötigt werden, um die Fasern in ihrer Lage zu halten, wenn die Bänder bei der Herstellung der Verbundstruktur gehandhabt werden. Diese Querdrähte sind vorzugsweise Metalldrähte und es kann sich um Aluminiumdrähte handeln, die mit dem Aluminium der Folienzwischenlagen bei der Herstellung der Verbundstruktur unlösbar verbunden werden. Dieses Band unterscheidet sich von dem üblichen Band dahingehend, daß es kein Grundmaterial aufweist, das Band besteht lediglich aus den Fasern und den mit ihnen verflochtenen Haltedrähten. Die übliche Aluminiumträgerfolie wird nicht benötigt.

In Gebrauch wird das Aluminium für das Grundmaterial der Verbundstruktur durch Aluminiumfolien 6 geliefert, die zwischen benachbarte Bandschichten 8 eingelegt sind (Fig. 2). Diese Anordnung gestattet ein schnelleres Zusammensetzen von mehreren Bändern oder Tafeln für die mehrschichtige Verbundstruktur und eine bessere Kontrolle des Prozentsatzes an Grundmaterial in der fertigen Verbundstruktur, da dickere oder dünnere Aluminiumfolien zwischen die Bänder gelegt werden können oder die Anzahl

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von Zwischenfolien verändert werden kann, um den richtigen Prozentsatz an Aluminiumgrundmaterial zu erzeugen.

Die fertigen Bänder, d.h. die Fasern und die mit ihnen verflochtenen Querdrähte werden in Streifen mit geeigneter Größe zerschnitten, die mit den Zwischenfolien übereinander geschichtet werden, um die Verbundstruktur oder den Stapel 10 von Fig. 2 aufzubauen, und der zusammengesetzte Stapel wird erhitzt und verdichtet, indem er zwischen erhitzten Platten oder Stempeln in einer Presse zusammengedrückt wird, wie in der oben erwähnten US-Patentschrift beschrieben, um den fertigen Verbundwerkstoff 12 von Fig. 3 zu bilden.

Die Verformung der Aluminiumfolien während des Zusamraendrückens und das Erhitzen des Verbundmaterials auf eine Temperatur nahe der Liquidustemperatur der Folien bewirken das unlösbare Verbinden der Aluminiumfolien miteinander und mit den Fasern der verschiedenen Bänder. Die Aluminiumquerdrähte werden während des Zusammendrückens und Verbindens unter Druck _zu einem integralen Teil des Grundmaterials.

Es wurde erwartet, daß die Fasern während des Zusammensetzens und der Verdichtung oxydieren würden, weil kein Überzug auf den Fasern vorhanden war, der die Oxydation verhindert, wie bei den plasmagespritzten Bändern. Es wurden jedoch hochfeste Verbundwerkstoffe auch ohne den

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Schutz gegen Oxydation erhalten. Es hat sich als wünschenswert erwiesen, die Zeit für das Zusammensetzen der Verbundstruktur und die Zeit vor der Beaufschlagung der Verbundstruktur mit Druck nach Positionierung derselben zwischen dan beheizten Platten zu minimieren. Es hat sich gezeigt, daß eine ausreichende Festigkeit des Verbundwerkstoffes mit einem Band dieser Art und sogar beim Verdichten und Verbinden in Luft erzielt werden kann. Es ist davon auszugehen, daß die minimale Oxydation, die in dem Verfahren erfolgt, nicht schädlich ist und daß der Verlust an Faserfestigkeit aufgrund von Oxydation reversibel ist und tatsächlich eine festere Faser erzeugen kann, wenn das Ausmaß der Oxydation durch die Zeit begrenzt wird, die für das Verdichten und Verbinden aufgewandt wird.

Diese Bänder und der sichergebende Verbundwerkstoff sind beträchtlich billiger als die in der oben erwähnten US-Patentschrift beschriebenen plasmagespritzten Bänder. Ursprünglich wurde erwartet, daß dieses nach Art einer Flechtmatte aufgebaute Band bei dem Verbinden in Luft sich als unbenutzbar erweisen würde, und zwar 1) wegen der Oxydation der Fasern, da kein Überzug auf den Fasern vorhanden ist, der luftundurchlässig ist und 2) weil sich das Grundmaterial wegen des Oxids auf den Fasern nicht unlösbar verbinden würde.

Keines dieser Probleme scheint ernst zu sein. Wie oben erwähnt, ist durch Minimieren der Zeit vor der Druck-

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beaufschlagung in der Presse jegliche Oxydation minimiert worden. Weiter scheint das Ausmaß der Oxydation, die erfolgt, die Faserfestigkeit nicht nennenswert zu verringern. Die Möglichkeit, die Faserflechtmatten unabhängig von den das Grundmaterial bildenden Alurainiumfolien zu handhaben, hat das Stapeln der Matten und Folien bei der Herstellung der Verbundstruktur erleichtert und hat außerdem eine Kontrolle des Prozentsatzes an Grundmaterial in dem fertigen Verbundwerkstoff gestattet.

Testergebnisse haben gezeigt, daß diese Mattenbänder mit den plasmagespritzten Bändern, die aus der oben erwähnten US-Patentschrift bekannt sind, vergleich bar sind, wenn die fertige Verbundstruktur vorliegt, wie folgender Vergleich zeigt:

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Band Faser Bindemittel

Atmosphäre

Tafelgröße (mm)

Faserfestigkeit
(kp/cra²)

Band

Verbundwerkstoff

Torsions·
test

Dreipunktbiegefestigkeit (kp/cm²) gemessen 50% Faser

142,24 ,um B

Plasma

Luft

51x127

41900^2250

Ausgezeichnet

203,2 ,um B 26190 24890

5056-Draht

Luft

12,7x76,2

3375014500

34660ί3940

Ausgezeichnet

9510

25030

18980

203,2 ,um B

5056-Draht

Luft

12,7x76,2

33750-4500

34590^5550

Ausgezeichnet

9810

19690

cn

2*7 5*ί ΐ

Der 5056-Draht ist ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 0,05 mm und diese Drähte hatten in dem Band oder der Matte einen gegenseitigen Abstand von etwa 6,35 mm. Die "Band"-Faserfestigkeit ist die Festigkeit der Bandfaser, bevor aus ihr der Verbundwerkstoff hergestellt worden ist, während die "Verbundwerkstoff"-Faserfestigkeit die einer aus dem Verbundwerkstoff herausgezogenen Faser ist. Die "gemessene" Biegefestigkeit wird experimentell bestimmt, während die 50%-Biegefestigkeit rechnerisch bestimmt wird, und zwar basierend auf der Annahme von 50 Vol.-% Fasern in dem Verbundwerkstoff und unter Benutzung der gemessenen Festigkeit.

Die Daten wurden mit Verbundwerkstoffen erhalten, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt und in Luft in sich verbunden wurden. Die Faserfestigkeiten und die Torsionsleistungen zeigten sämtlich eine ausgezeichnete Werkstoffestigkeit in dem fertigen Produkt im Vergleich mit den plasmagespritzten Verbundwerkstoffen. Die Verbundstrukturen, die mit den Flechtmattenfasern hergestellt wurden, erwiesen sich als ausreichend für jeden gegenwärtig bekannten Verwendungszweck dieser Art von Verbundwerkstoff.

Wenn der Bänderstapel fertig ist, wird die Oberseite des Stapels vorzugsweise mit einer Folienschicht 14 bedeckt, um die freiliegenden Fasern an der Oberseite des Bandes oder der Bänder in dem Stapel abzudecken. Diese oberste Folienschicht dient dem Zweck, diese Fasern während des

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Erhitzens und Zusammendrücken vor Oxydation zu schützen, und, wenn die Verdichtung erreicht ist, ist diese oberste Folie mit der benachbarten Folie und mit den umschlossenen Fasern in derselben Weise wie die Zwischenfolien zwischen den Bändern unlösbar verbunden.

Es sei angemerkt, daß ein Stapel in gewissen Fällen aus einem einzigen Band mit einer Folie auf jeder Seite bestehen kann, wenn die Dicke des fertigen verdichteten Verbundwerkstoffes nicht mehr als die einzige Bandschicht zuläßt. Die Querdrähte des Bandes, wenn sie aus Aluminium bestehen, werden in das Grundmaterial eingebaut und werden zu einem integralen Teil desselben, ungeachtet dessen, ob der Verbundwerkstoff aus einem Einzelbandstapel oder aus einem Mehrbandstapel hergestellt wird. Der Verbundwerkstoff besteht deshalb, wenn er verdichtet und in sich verbunden ist, aus den Fäden und dem Grundmaterial, wobei die Drähte, die ihren Zweck erfüllt haben, in das Grundmaterial entschwunden sind.

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Claims

Patentansprüche :

[lJ Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, die ein Aluminiumgrundmaterial mit mehreren Fadenschichten darin enthält, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Herstellen einer einzelnen Schicht von parallel ausgerichteten Fäden,

festes Miteinanderverbinden der Fäden der Schicht zu einer Matte durch Verweben der Fäden mit Querdrähten, Zusammensetzen von mehreren Matten mit zwischengelegten Aluminiumfolien zu einem Stapel, und Verdichten und Verbinden des Stapels von Folien und Matten in Luft zu der Verbundstruktür.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten und Verbinden durch Erhitzen und Pressen des Stapels zwischen beheizten Platten erfolgen.

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3. Verbundstruktur, gekennzeichnet durch mehrere Bänder, von denen jedes aus einer einzigen Schicht von parallel ausgerichteten Fäden und mit Abstand voneinander angeordneten und mit den Fäden verwobenen Querdrähten zum Festhalten der Fäden in ihrer parallel ausgerichteten Lage in einer einzigen Schicht in Form einer Matte besteht, und durch mehrere zwischen die Bänder eingeführte Schichten zur Bildung eines Stapels, der aus mit Fadenschichten abwechselnden Folienschichten besteht und in Luft erhitzt und zusammengedrückt vird, um die Folie um die Fäden der verschiedenen Schichten zu pressen und um das unlösbare Verbinden der benachbarten Folienschichten mit einander zwischen den Fäden und mit den Fäden zu der verdichteten Verbundstruktur zu bewirken.
4. Verbundstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querdrähte Aluminiumdrähte sind.
5. Verbundstruktur nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden Borfäden sind.
6. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querdrähte in der verdichteten Verbundstruktur ein integraler Bestandteil des Grundmaterials sind.

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