AT413986B - Verfahren zur behandlung von verstärkungselementen - Google Patents

Description

2

AT 413 986 B

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Verstärkungselementen für Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper od. dgl., insbesondere Carbon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid od. dgl.. 5 MMC-Körper werden normalerweise hergestellt, indem die Poren einer porösen Vorform mit flüssigem Metall infiltriert werden. Ist das zur Porenausfüllung verwendete Metall mit der Vorform nicht benetzbar, muß es in die Poren „hineingezwungen“ werden. Dies kann z.B. mittels Druckinfiltration erfolgen, wobei das flüssige Metall durch äußeren Druck in die Vorform gepreßt und dort bis zur Erstarrung gehalten wird. 10

Um die physikalischen Eigenschaften der Matrix zu beeinflussen, hat man andere Materialien mit bestimmten Eigenschaften dem Matrix-Metall zugemischt, wobei insbesondere Carbon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid od. dgl. verwendet werden können. Diese Verstärkungselemente weisen 15 besondere Eigenschaften auf, wie z.B. hohe Festigkeiten, hohe Wärmeleitfähigkeiten, niedrige thermische Ausdehnungskoeffizienten oder hohe elektrische Leitfähigkeiten, wobei diese Eigenschaften des MMC-Körpers durch die Verstärkungselemente verbessert werden sollen. Die Verstärkungselemente sind üblicherweise mit dem Matrix-Material schwer benetzbar und daher ist deren Anbindung an die Matrix eher schlecht bis gar nicht ausgeprägt, sodaß auch die 20 Eigenschaften des Composite-Werkstoffes eher bescheiden ausfallen. Verwendet man eher sehr feines Verstärkungsmaterial (im Nano-Bereich) steigt zusätzlich die Oberfläche und damit die schlechte Benetzung durch die Metallschmelze (bei Unbenetzbarkeit). Es hat sich gezeigt, daß zumindest ein Teil der Verstärkungselemente bei der Infiltration durch die Schmelzfront des flüssigen Metalls zusammengeschoben werden. Dadurch werden Anhäufungen der Verstär-25 kungselemente geschaffen, die mit dem restlichen MMC-Körper nicht verbunden sind, eher lose in der Metallmatrix eingebettet sind und daher auch nur unwesentlich seine physikalischen Eigenschaften verbessern.

Der im MMC-Körper verteilt vorliegende Anteil der Verstärkungselemente, der bei der Infiltration 30 durchdrungen worden ist, weist mit dem Matrix-Körper eine nur schwache Wechselwirkung auf, weshalb diese Verbindungen zwischen Matrix und Verstärkungselementen nach einigen Lastzyklen aufbrechen und die physikalischen Eigenschaften des MMC-Körper durch die Verstärkungselemente kaum mehr verbessert werden. 35 Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Verstärkungselemente behandelt werden können, sodaß sie bei der Herstellung eines MMC-Körpers verwendet werden können und die bekannten Nachteile vermieden und die physikalischen Eigenschaften des MMC-Körpers durch die Verstärkungselemente positiv und nachhaltig verändert werden. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, fein Verfahren anzugeben, welches 40 einfach und kostengünstig durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Verstärkungselemente mit einer Salzlösung eines Metalles benetzt werden, in einem Trocknungsvorgang ein Gemisch aus Verstärkungselemente und Metallsalz gebildet wird und anschließend in einem Reduktionsvorgang das 45 Metallsalz in reines Metall umgewandelt wird.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Verstärkungselemente mit einer Metallschicht verbunden werden, wobei durch die Salzlösung sichergestellt ist, daß das Metallsalz die Strukturen der Verstärkungselemente durchdringen kann und nicht eine Beschichtung um eine Anhäufung von 50 Verstärkungselemente gebildet wird. Weiters kann sichergestellt werden, daß das Metallsalz die Oberfläche der Verstärkungselemente benetzt, da die Größe der Verstärkungselemente ein Vielfaches der Größe der Ionen der Salzlösung betragen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Salzlösung die Verstärkungselemente allseitig benetzt, wodurch eine gleichförmige Beschichtung ausgebildet werden kann. 55 3

AT 413 986 B

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß als Verstärkungselemente Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern verwendet werden. Carbon-Nanotubes sind bienenwabenförmig aufgebaute, zylindrische Röhren aus sp2-Kohlenstoff. Je nach Herstellungsbedingungen unterscheidet man zwischen SWNT (Single Wall Nanotubes) oder MWNT (Mulitwalled 5 Nanotubes). Sind die zylindrischen Röhren nicht bienenwabenförmig, sondern durch ineinander gestapelte Lamellen aufgebaut, spricht man von Carbon-Nanofasern. Diese Carbon-Nanoelemente weisen eine hohe Festigkeit, einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Durchmesser der Röhren liegen im nm-Bereich, wobei die Länge der Röhren im Bereich zwischen einigen pm und mehreren cm betra-io gen kann. Aufgrund der besonders günstigen physikalischen Eigenschaften der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern erscheinen sie als Verstärkungselemente besonders geeignet zu sein, wobei mit bisherigen Verfahren eine feste Einbettung der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern in einen Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper nicht erreichbar ist. 15

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zu der Salzlösung Ammoniak zugegeben wird. Dadurch kann die Benetzbarkeit der Oberfläche der Verstärkungselemente erhöht werden und die Anbindung der Ionen des Metallsalzes verbessert werden. 20

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß während des Reduktionsvorganges eine Temperaturbehandlung erfolgt, wodurch der Reduktionsvorgang beschleunigt werden kann. 25 In Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Oberfläche der Verstärkungselemente mit einem alkalischen oder sauren Medium vorbehandelt wird. Dadurch kann die Benetzbarkeit der Oberfläche der Verstärkungselemente erhöht werden und die Anbindung der Ionen des Metallsalzes verbessert werden. 30 Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Gemisch aus Verstärkungselemente und Metallsalz vor dem Reduktionsvorgang homogenisiert, insbesondere gemahlen, wird, wodurch die erforderliche Zeit für den Reduktionsvorgang verringert und die Gleichförmigkeit des Gemisches verbessert werden kann. 35 Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Erzeugung einer Vorform für einen Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper.

Bei der Herstellung einer Vorform für einen MMC-Körper wird üblicherweise keramisches oder metallisches Pulver mit einem Bindemittel versetzt, in eine gewünschte Form gebracht und 40 anschließend gesintert, wobei mittels der Sintertemperatur und der Sinterdauer eine vorgebbare Porosität erreicht werden kann.

Um die physikalischen Eigenschaften der Vorform zu beeinflussen, hat man versucht Verstärkungselemente zu dem Pulver zu mischen. Dabei hat sich gezeigt, daß die Verstärkungsele-45 mente mit dem Material der Vorform nur mittels schwacher Wechselwirkungen verbunden sind und die Verbindungen bereits nach wenigen Lastzyklen aufbrechen, sodaß die physikalischen Eigenschaften der Vorform durch die Verstärkungselemente nur geringfügig beeinflußt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung einer Vorform für einen MMC-Körper so anzugeben, bei dem die bekannten Nachteile vermieden werden, mit dem die physikalischen Eigenschaften der Vorform mittels Verstärkungselementen positiv und nachhaltig verändert werden können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß beschichtete Verstärkungselemente, insbe-55 sondere Carbon-Nanotubes (CNT), Carbon-Nanofasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, 4

AT 413 986 B

Keramikfasern, Siliziumcarbid od. dgl., verwendet werden.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Verstärkungselemente mit dem Material der Vorform eine feste Bindung eingehen und in der Vorform verankert sind, wodurch die physikalischen 5 Eigenschaften der Vorform durch die Verstärkungselemente beeinflußt werden. Weiters wird die Reproduzierbarkeit der gewünschten Materialeigenschaften sichergestellt.

Ein weiterer Vorteil ist, daß an den beschichteten Verstärkungselementen Metallkörner anhaften, wodurch einfach eine poröse Vorform herstellbar ist. 10

In Weiterführung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die beschichteten Verstärkungselemente homogenisiert, insbesondere gemahlen werden. Dadurch kann die Gleichförmigkeit des Materials der Vorform verbessert werden. 15 Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß beschichtete Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasem verwendet werden. Dadurch kann eine besonders hohe Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Vorform erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß mit einem oben angeführ-20 ten Verfahren beschichtete Verstärkungselemente verwendet werden, wodurch eine Vorform einfach hergestellt werden kann, wobei sichergestellt ist, daß die Verstärkungselemente eine gleichmäßige Beschichtung aufweisen. Weiters kann das Matrixmaterial zwischen die Verstärkungselemente gebracht werden, ohne die Verstärkungselemente zu verformen oder zu verschieben. 25

Die Erfindung betrifft weiters eine Vorform für einen Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper.

Die Vorform ist ein poröser Körper, in den mittels Infiltration flüssiges Metall einbringbar ist. Dabei werden die Materialeigenschaften des MMC-Körpers wesentlich durch die Eigenschaften 30 der Vorform bestimmt.

Um die physikalischen Eigenschaften der Vorform zu beeinflussen hat man versucht, eine Vorform aus Verstärkungsmaterial herzustellen. Aufgrund der schlechten Benetzbarkeit der Verstärkungselemente konnte jedoch eine dauerhafte Verbindung zwischen den Verstärkungs-35 elemente und der Vorform nicht erreicht werden, weshalb die physikalischen Eigenschaften des MMC-Körpers durch die Verstärkungselemente nur unwesentlich beeinflußt wurden.

Wird nun für die Vorformherstellung sehr feines Verstärkungsmaterial (im Nano-Bereich) verwendet, steigt zusätzlich die Oberfläche und damit die schlechte Benetzung durch die Metall-40 schmelze (bei Unbenetzbarkeit). Wird das Material lose in die Gußform gefüllt, zeigt es sich, daß zumindest ein Teil der Verstärkungselemente bei der Infiltration von der Schmelzfront des flüssigen Metalles zusammengeschoben werden. Dadurch werden Anhäufungen von Verstärkungselementen geschaffen, die mit dem restlichen MMC-Körper nicht verbunden sind, eher lose in der Metallmatrix eingebettet sind und daher auch nur unwesentlich seine physikalischen 45 Eigenschaften verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorform der oben genannten Art anzugeben, bei der die bekannten Nachteile vermieden werden, und mit der besonders günstige physikalische Eigenschaften eines MMC-Körpers erreicht werden können. 50

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Vorform beschichtete Verstärkungselemente, insbesondere Carbon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid od. dgl. umfaßt. 55 Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Vorform, welche aus Verstärkungselementen gebildet 5

AT 413 986 B ist, vorteilhafte physikalische Eigenschaften erhält. Weiters wird die Reproduzierbarkeit der gewünschten Materialeigenschaften sichergestellt.

Sind nur geringe Mengen an Verstärkungsmaterial im MMC-Körper vorgesehen, muß zusätzlich 5 ein sogenanntes Stützmaterial zu den Verstärkungselementen dazugegeben werden, damit die Verstärkungselemente sich nicht entsprechend dem oben beschriebenen Vorgang zusammenschieben und damit eine inhomogene Verteilung im MMC-Körper erhalten wird. Dieses Stützgerüst wird durch Verwendung von „beschichteten“ Verstärkungsmaterialien, welche zusätzliches Beschichtungsmaterial als Füllmaterial bzw. Stützmaterial enthält geliefert. Dieses zusätzliche io Matrixmaterial ermöglicht eine Vorformherstellung mit dem gewünschten Anteil an Verstärkungselementen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß sie beschichtete Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern umfaßt, wodurch ein niedriger thermischer Ausdeh-15 nungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann.

Die Erfindung betrifft weiteres einen Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper. MMC-Körper sind aus Verbundwerkstoffen, welche durch das Infiltrieren eines Metalles in die 20 Poren einer porösen Vorform gebildet werden. Um die physikalischen Eigenschaften des MMC-Körpers weiter zu verändern, wurde versucht Verstärkungselemente einzubauen. Aufgrund der schlechten Benetzbarkeit dieser Verstärkungselemente ergab sich jedoch eine schwache Wechselwirkung zwischen dem MMC-Körper und den Verstärkungselementen, wobei die Verbindungen nach einigen Lastwechseln aufbrachen, wodurch die physikalischen Eigenschaften 25 des MMC-Körpers durch die Verstärkungselemente nur unwesentlich beeinflußt wurden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen MMC-Körper anzugeben, dessen physikalische Eigenschaften durch Verstärkungselemente beeinflussbar ist. 30 Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß in der Metallmatrix beschichtete Verstärkungselemente, insbesondere Carbon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid od. dgl. eingebettet sind.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Verstärkungselemente MMC-Körper fest verankert sind, 35 wodurch die physikalischen Eigenschaften des MMC-Körpers durch die Verstärkungselemente beeinflußt werden. Weiters wird die Reproduzierbarkeit der gewünschten Materialeigenschaften sichergestellt.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Verstärkungselemente beschich-40 tete Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern umfassen, wodurch ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient und eine hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Verstärkungselemente im wesentlichen gleichförmig verteilt sind. Dadurch kann sichergestellt werden, 45 daß die verbesserten physikalischen Eigenschaften des MMC-Körper homogen im gesamten MMC-Körper vorhanden sind.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossene Zeichnung, in welcher eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt ist, näher beschrieben. Dabei zeigt: 50

Fig. 1 ein Verfahrensfließbild des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung von Verstärkungsstrukturen und des Verfahrens zur Herstellung eines Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körpers. 55 Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper können hergestellt werden, indem die Poren einer 6

AT 413 986 B porösen Vorform, welches aus einem Matrix-Material gebildet ist, mit flüssigem Metall infiltriert werden, wobei das zur Porenausfüllung verwendete Metall üblicherweise mit der Vorform nicht benetzbar ist, weshalb es in die Poren „hineingezwungen“ werden muß. Dies kann z.B. mittels Druckinfiltration erfolgen, wobei das flüssige Metall durch äußeren Druck in die Vorform gepreßt 5 und dort bis zur Erstarrung gehalten wird.

Die Vorform enthält Verstärkungselemente, durch die man erhofft, bestimmte physikalische Eigenschaften des MMC-Körpers vorbestimmbar zu beeinflussen. Dabei hat sich gezeigt, daß aufgrund der schlechten Beneztbarkeit der Verstärkungselemente eine nur schwache Wech-io selwirkung zwischen dem MMC-Körper und den Verstärkungselementen zustande kommt. Diese Verbindungen brechen nach einigen Lastzyklen aufgrund der unterschiedlichen Verformungen der Verstärkungselemente und des sie umgebenden Materials auf, wodurch eine nur geringe Beeinflussung der physikalischen Eigenschaften des MMC-Körpers durch die Verstärkungselemente resultiert. 15

Als physikalische Eigenschaften, die verändert werden sollen, sind insbesondere die thermische Ausdehnung und die Wärmeleitfähigkeit anzusehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Verstärkungselemente, welche insbesondere 20 Carbon-Nanotubes (CNT) und/oder Carbon-Nanofasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid od. dgl. sein können, für die Verwendung in MMC-Körpern od. dgl. behandelt werden, wobei die Verstärkungselemente mit einer Salzlösung eines Metalles benetzt werden, in einem Trocknungsvorgang ein Gemisch aus Verstärkungselementen und Metallsalz gebildet wird und anschließend in einem Reduktionsvorgang das Metallsalz in reines 25 Metall umgewandelt wird.

Dieses Verfahren, das im oberen Teil der Fig. 1 dargestellt ist, kann als 2-Stufen-Prozeß angesehen werden. 30 In der ersten Stufe wird daher das Agglomerat und/oder das Bündel an Verstärkungselementen mittels der Salzlösung durchdrungen, wobei alle Oberflächen der Verstärkungselemente kontaktiert werden und diese Oberflächen über die Salzlösung aktiviert wird.

In der zweiten Stufe wird ein Reduktionsprozeß durchgeführt und das Metallsalz in reines Metall 35 umgewandelt.

Aufgrund der voraktivierten Oberfläche der Verstärkungselemente, der bei der Reduktion auftretenden Zersetzungsprodukte, welche abhängig von dem verwendeten Metallsalz sind, und der verwendeten Reduktionstemperaturen entsteht eine Metallmatrix, in der die Verstärkungsele-40 mente bereits teilweise eingelagert sind. Die Struktur des Gemisches kann insbesondere durch eine Temperaturbehandlung während des Reduktionsvorganges auf einfache Weise beeinflußt werden.

Das bei dem Reduktionsvorgang erhaltene Material kann als Vorcomposit angesehen werden. 45 Dabei ist insbesondere vorteilhaft, daß die Verstärkungselemente durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht deformiert und/oder zusammengedrückt werden, wodurch unerwünschte Anhäufungen der Verstärkungselemente in dem Gemisch vermieden werden und ein homogenes Gemisch erreicht wird. so Nach dem Reduktionsvorgang weisen die Verstärkungselemente eine im wesentlichen gleichförmige Beschichtung auf, welche mit anderen bekannten Beschichtungsverfahren nicht erreichbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die einzelnen Verstärkungselemente und nicht Agglomerate von Verstärkungselementen beschichtet, ist die Beschichtung gleichförmig und treten keine Schatteneffekte od. dgl. auf. Weiters ist das Verfahren einfach und 55 schnell durchführbar und nicht störungsanfällig. 7

AT 413 986 B

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht nur eine Metallschicht an den Verstärkungselementen erzeugt, sondern es wird auch eine Metallmatrix aufgebaut, die eine spätere Durchdringung mit Matrixmetall bzw. die spätere Verschweißung der Vorform erleichtert. Beim neuen Verfahren wird eine Haftung zwischen Faseroberfläche und Metall erzeugt und nicht nur eine 5 Metallschicht an den Verstärkungselementen abgelagert, die mit diesen eine nur geringe Wechselwirkung, mittels Adhäsion oder Van-der-Waals-Kräfte, aufweisen.

Die Verstärkungselemente werden in die metallische Matrix eingebunden. Diese Bindung zwischen den Verstärkungselementen und der Matrix ist für die Ausnützung der physikalischen io Eigenschaften der Verstärkungselemente im Verbund unerläßlich. Andernfalls wirken die Einlagerungen als Pore od. dgl. und die Verstärkungselemente tragen nichts zu den Eigenschaften des Verbundes bei, wodurch in einem Versuch nur die reinen Matrix-Metall Eigenschaften gemessen werden können. 15 Als Verstärkungselemente scheinen insbesondere Carbon-Nanotubes (CNT) und/oder Carbon-Nanofasern (CNF) geeignet, wobei insbesondere deren hohe Wärmeleitfähigkeit für den MMC-Körper ausgenützt werden kann. Aufgrund der geringen Durchmesser der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern (im 10‘9 m Bereich) lassen sich die Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern nicht mehr ohne weiteres in eine Matrix einbauen. Die Schmelzfront des 20 flüssigen Metalles, welches bei der Infiltration mittels Druck in die, nach dem Stand der Technik erzeugten Vorform mit Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern gepreßt wird, sieht, aufgrund der geringen Dimensionen der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und der schlechten Benetzbarkeit zwischen Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und flüssigem Metall eine Art nach außen geschlossene Struktur, welche es nicht durchdringen 25 kann. Die Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern werden durch das eindringende, unter Druck stehende Metall zusammengeschoben und fallen als solche nach Aufschneiden der sie umhüllenden Metallschicht wieder heraus. Eine Einbindung in den MMC-Körper ist nicht möglich. 30 Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern so behandelt werden, daß das Matrixmaterial zwischen die Fasern gebracht wird, wobei die Fasern nicht zusammengedrückt wird, wodurch Hohlräume bzw. Poren geschaffen würden. Die gelösten Salzmolekülen des Metallsalzes können zwischen die Fasern wandern, wobei eine Interaktion zwischen den Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und dem 35 gelöstem Metallsalz auftritt.

Eine Reaktion zwischen den Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und dem Metallsalz läßt sich mit der Zugabe von oberflächenbeeinflussenden Chemikalien in der Salzlösung verbessern, wobei insbesondere die Zugabe von Ammoniak vorgesehen sein kann. Die Zugabe 40 von Ammoniak kann auch bei anderen Verstärkungselementen vorgesehen sein.

Die Benetzbarkeit der Verstärkungselemente kann auch dadurch verbessert werden, daß die Oberfläche der Verstärkungselemente mit einem alkalischen oder sauren Medium vorbehandelt wird. 45

Die Zugabe von zusätzlichen oberflächenbeeinflussenden Chemikalien kann auch bei dem Reduktionsvorgang vorgesehen sein.

Durch die gezielte Auswahl der Zusammensetzung des Metalles und der Salzkomponente ist es 50 möglich, eine gezielte Aktivierung für das spätere Matrixmetall vorzunehmen.

Wird das Gemisch aus Verstärkungselementen und Metallsalz vor dem Reduktionsvorgang homogenisiert, so kann sichergestellt werden, daß die Reduktion im gesamten Gemisch gleichförmig stattfindet und nicht aufgrund einer Verklumpung od. dgl. die Reduktion bereichsweise 55 verlangsamt ist. Die Homogenisierung kann insbesondere durch Mahlen erreicht werden. δ ΑΤ 413 986 Β

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es ermöglicht, Carbon-Nanotubes und/oder Car-bon-Nanofasern bzw. Vorformen aus diesem Material mit Metallen wie Ag, Cu, Ni, Fe od. dgl. und dessen Legierungen zu infiltrieren bzw. zu tränken oder verpressen / sintern, damit ein dichter und homogener Verbund entsteht. 5

Aufgrund der geringen Größe dieser Strukturen (im 10'9 Bereich) und der Nichtbenetzbarkeit zwischen Carbon-Nanotubes bzw. Carbon-Fasern allgemein und Metall muß einerseits das System benetzend gemacht werden durch Schaffung von Reaktionszentren an der Faseroberfläche und zusätzlich bereits mit Metall durchtränkt werden und andererseits die Fasern so io angeordnet und miteinander vernetzt werden, daß eine stabile Vorform erhalten wird, welche durch den Druckaufbau bei der nachfolgende Infiltration nicht zusammengepreßt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß auf Grund der Größe der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und der vorliegenden teilweise ineinanderverknäulten 15 Faserbüschel, nur unter zu Hilfenahme von Prozessen, die in Dimensionen ablaufen, die kleiner sind als die Fasern und deren Reaktionspartner maximal ähnliche oder kleinere Dimensionen aufweisen als die Fasern, fähig sind, die Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern zu durchdringen und in Wechselwirkung zu treten. Die riesige Oberfläche der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern ist zwar an sich sehr reaktiv, doch muß zuerst eine Benetzung 20 und ein Kontakt mit den durchdringenden Reaktionspartner ermöglicht werden. Durch eine zusätzliche Behandlung der Faseroberfläche in alkalischen oder sauren Medien lassen sich definierte Oberflächen erzeugen. Die erforderliche Benetzung und anschließende Kontaktierung wird dann mittels Salzlösungen erreicht. Die in Lösung befindlichen Ionen vermitteln dabei die Ankoppelung an die Faseroberfläche, je nach Oberflächenzustand der Carbon-Faser werden 25 Oberflächenreaktionen erzeugt, Reaktionszentren geschaffen und damit eine erste wichtige Stufe für die Benetzung der Fasern mittels Metall gesetzt.

Durch diese Wechselwirkung und, da die lonengröße wesentlich unter der Größe der Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und der Größe der Hohlräume zwischen den Fasern 30 liegt, ist eine Durchdringen und Kontaktierung möglich. Über die Zusammensetzung der Salze lassen sich sowohl das später vorliegende Metall als auch die anionische Komponente festlegen. Zusätzliches Rühren oder Bewegung der Flüssigkeit mit den Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern verbessert die Durchdringung und die Ankoppelung zwischen Lösung und Fasern. 35

Durch die Durchdringung der Faseragglomerate und Ankoppelung der Ionen an die Faseroberfläche wird durch den anschließenden Trocknungsprozeß eine Trennung zwischen Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und auskristallisierendem Salz behindert bzw. unterbunden. Die Salzkomponente bleibt im innigen Kontakt mit der Faser und kann sogar teilweise 40 die Faseragglomerate zersprengen bzw. aufweiten, was für den später folgenden Infiltrationsprozeß vorteilhaft ist. Es wird ein innige Mischung von Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern und Salz erhalten.

Eine Entfernung des Lösungsmittels ergibt also ein Gemisch aus Carbon-Nanotubes und/oder 45 Carbon-Nanofasern und Metallsalz, welches die Faserbüschel durchdringt und die Fasern umhüllt und benetzt und damit die Voraussetzung für die spätere Metallanbindung schafft.

Der nachfolgende Prozeßschritt besteht in der Überführung des Salzes in das reine Metall. Dieses wird mittels Reduktion erreicht. In einem Wasserstoffstrom oder auch in einem Formier-50 gas, einer Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff, wird bei höherer Temperatur eine komplette Zersetzung des Salzes in das Metall durchgeführt. Die durchgeführte Reduktion des Metallsalzes im Gasstrom erzeugt an den durch das Metallsalz geschaffenen Reaktionszentren die metallische Benetzung der Faser und ermöglicht die innige Vermischung zwischen Nanotubes und Metall. Bei der Reduktion entstehen, neben dem reinen Metall, weitere Reaktionsprodukte, 55 welche die Faseroberfläche noch einmal für die Anbindung des reinen Metalls aktivieren 9

AT 413 986 B können. Die Reaktionsprodukte sind natürlich abhängig von der Salzzusammensetzung und können somit, je nach Erfordernis, variiert werden. Dieses Aktivieren oder dieses Erzielen einer Oberflächenaktivität kann durch eine gleichzeitige Temperaturbehandlung noch zusätzlich gesteigert werden. Durch die innige Anbindung zwischen Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-5 Nanofasern und dem Salz findet die Reduktion quasi in situ statt. Damit ist das bei der Reduktion entstehende Metall direkt in Faserkontakt und scheidet sich sowohl als Schicht direkt auf der Faser ab als auch als Metallausscheidung zwischen den Fasern mit bereits eingebauten Fasern. Es entsteht dadurch bereits bei der Reduktion, wenn die Temperatur entsprechend hoch gewählt wurde in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt des erhaltenen Metalles, eine Vorstufe eines io Compositmateriales.

Um die physikalischen Eigenschaften von Verstärkungselementen für einen MMC-Körper nutzen zu können, kann nach einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vorform für einen MMC-Körper od. dgl. erzeugt werden, wobei beschichtete Verstärkungselemente verwendet werden. 15 Die Verstärkungselemente können Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcar-bid od. dgl. sein, wobei insbesondere auch Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern verwendet werden können.

Zur Herstellung einer Vorform werden üblicherweise pulverförmige Ausgangsmaterialien ver-20 wendet. Um eine vorbestimmbare und einheitliche Korngröße zu erhalten, kann vorgesehen sein, daß die beschichteten Verstärkungselemente homogenisiert, insbesondere gemahlen, werden. Dies erscheint insbesondere bei einem Vorliegen eines Gemisches aus Matrixmaterial und beschichteten Verstärkungselementen vorteilhaft. 25 Eine Vorform mit besonders stabil eingebauten Verstärkungselementen kann erzielt werden, wenn die Verstärkungselemente nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt sind. Dabei kann vorgesehen sein, daß die Vorform im wesentlichen nur aus beschichteten Verstärkungselementen besteht. 30 Durch dieses Verfahren kann eine Vorform erhalten werden, die eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der beschichteten Verstärkungselemente aufweist, welche stabil in der Vorform eingebettet sind.

Als Ausgangsmaterial für die Vorform kann insbesondere ein Metallpulver des im Metallsalz 35 vorkommenden Metalls vorgesehen sein.

Nach Infiltration mit einem flüssigen Metall erhält man einen MMC-Körper, bei dem in der Metallmatrix beschichtete Verstärkungselemente eingebettet sind. 40 Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines MMC-Körpers ist in Fig. 1 dargestellt.

Diese Verstärkungselemente können Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Silizium-carbid od. dgl. sein, wobei insbesondere auch Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern vorgesehen sein können. 45

Insbesondere kann bei diesen MMC-Körpern vorgesehen sein, daß die Verstärkungselemente im wesentlichen gleichförmig verteilt sind.

Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, welche nicht auf diese so Beispiele beschränkt ist. 1. 50 g CuS04 x 5H20 Pulver werden mit 30 g H20 versetzt und angelöst. Dazu werden dann 2 g Carbon-Nanotubes (CNT-Material) und/oder Carbon-Nanofasern (CNF-Material) gegeben. Die Mischung wird gerührt und getrocknet. Die getrocknete Masse wird dann zerklei-55 nert, abgewogen und im Ofen reduziert z.B. mit reinem Wasserstoff oder Formiergas

Claims (15)

10 AT 413 986 B (Mischung aus N2 und H2). Die anschließend vorliegende Mischung wird wieder abgewogen, so daß das Verhältnis Cu / CNF-Material bekannt ist. Damit läßt sich später der gewünschte Volumsanteil CNF-Material im Composite einstellen. Dieses Material wird dann zusätzlich mit Cu-Pulver vermischt und auf einer Pulverpresse zu Teilen verpreßt. Der poröse Preßling 5 läßt sich mit Cu oder Cu-Legierungen, aber auch mit anderen Metallen zu einem dichten Teil infiltrieren. Eine andere Variante dichte Teile herzustellen, ist das Heißpressen solcher Preßlinge. Desweiteren können solche dichte Teile auch mittels HIP (High isostatic pressing) oder CEP (Cold isostatic pressing) Verfahren erzeugt werden. 2. 50 g CuS04 x 5H20 Pulver werden mit 60 g H20 versetzt und gerührt bis alles CuS04 gelöst io ist. Dann werden 1,5 g CNF-Material dazugegeben und unter Aufwärmen weiter gerührt. Die Lösung trocknet ein. Ein zusätzliches Trocknen im Trockenschrank kann erforderlich sein. Die Masse wird zerkleinert z. B mittels Handmörser und dann im Ofen reduziert z.B. mit reinem Wasserstoff oder Formiergas (Mischung aus N2 und H2). Die vorliegende Material besteht jetzt aus einem Gemisch aus CNF-Material und Cu-Metall, wobei das Cu-Metall bereits 15 mit den Fasern einen Composit bilden kann. Dieses Material wird jetzt mit einem Binder versetzt z.B. Zuckerlösung und in eine Gießform gebracht. Die Masse wird getrocknet und- die hantierbaren Teile werden anschließend carburiert und/oder graphitisiert, damit der Zucker vercrackt und CNF-Material untereinander vernetzt, so daß eine steifer, fester und poröser Körper entsteht. Dieser Körper wird in eine Gußform gelegt und mittels Gasdruckverfahren 20 wird z.B. flüssiges Aluminium hingepreßt. Der erhaltene Composit besteht dann aus Alumi-num, gelöstem Cu und CNF-Material 3. 60 g Fe(N03)2 x 9H20 Pulver werden in 30 g H20 gelöst. Dazu werden 2,1 g CNF-Material eingerührt und bis zum viskosen Zustand eingetrocknet. Das Material wird anschließend (ist noch feucht) unter Formiergas (N2/H2 = 95/5) zu reinem Fe mit eingelagerten CNF-Material 25 reduziert. Die Mischung wird zerkleinert, mit einem Bindemittel versetzt und zu einer Platte geformt. Durch Aufheizen unter Inertgas, z.B. Stickstoff, wird der Binder gecrackt und erzeugt eine vernetzte, poröse Vorform, welche sich leicht hantieren läßt. Zusätzliche Bearbeitung ist möglich ohne daß der Teil zerfällt. Die Vorform wird in ein Gießwerkzeug gelegt und aufgeheizt. Anschließend wird flüssiges Metall in den Tiegel, welche die Gießform enthält, 3o gegossen. Diese Anordnung wird dann in einen Drucktopf gestellt und mittels Gas wird das flüssige Metall in die poröse Vorform hineingepreßt. Der erhaltene Teil ist dicht und läßt sich ohne Probleme mit gängigen Werkzeugen zu der gewünschten Form bearbeiten. 4. 60 g CuS04 x 5H20 Pulver werden in 100 g H20 gelöst und mit 2,7 g CNF-Material versehen. Anschließend werden 4 g konz. Ammoniak-Lösung langsam unter gleichzeitigem Rüh- 35 ren zugesetzt. Diese Lösung wird bis zur festen Konsistenz eingedampft, abkühlen gelassen und mittels Handmörser zerkleinert. Das vorliegende Pulver wird angefeuchtet und mittels Preßwerkzeug zu Teilen verpreßt. Diese werden möglichst rasch unter Wasserstoff reduziert, wobei ein zusammenhängender Formling erhalten wird. Dieser Formling wird dann in ein Gießwerkzeug gelegt, aufgeheizt und in einem Drucktopf mittels flüssigem Metall zu 40 einem dichten Teil infiltriert. 5. 60 g CuS04 x 5H20 Pulver werden in 100 g H20 gelöst und mit 2,7 g CNF-Material versehen. Anschließend werden 4 g konz. Ammoniak-Lösung langsam unter gleichzeitigem Rühren zugesetzt. Diese Lösung wird bis zur festen Konsistenz eingedampft, abkühlen gelassen und mittels Handmörser zerkleinert. Das vorliegende Pulver wird angefeuchtet und mittels 45 Preßwerkzeug zu Teilen verpreßt. Diese werden möglichst rasch unter Wasserstoff reduziert, wobei ein zusammenhängender Formling erhalten wird. Dann wird zusätzliches Metallpulver wie z.B. Cu oder Cu-Legierung zugefügt und durch Heißpressen oder HIP-Verfahren wird ein dichter Körper erzeugt. 50 Patentansprüche: 1. Verfahren zur Behandlung von Verstärkungselementen für Metall-Matrix-Composite-(MMC-) Körper, insbesondere Carbon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), 55 Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid, dadurch gekennzeichnet, 1 1 AT 413 986 B daß die Verstärkungselemente vor dem Ausbilden des Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körpers mit einer Salzlösung eines Metalles benetzt werden, in einem Trocknungsvorgang ein Gemisch aus Verstärkungselemente und Metallsalz gebildet wird und anschließend in einem Reduktionsvorgang das Metallsalz in reines Metall umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungselemente Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Salzlösung Ammoniak zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Reduktionsvorganges eine Temperaturbehandlung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Verstärkungselemente mit einem alkalischen oder sauren Medium vorbehandelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Verstärkungselemente und Metallsalz vor dem Reduktionsvorgang homogenisiert, insbesondere gemahlen, wird.

7. Verfahren zur Erzeugung einer Vorform für einen Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer reinen Metallschicht beschichtete Verstärkungselemente, insbesondere Carbon-Nanotubes (CNT), Carbon-Nanofasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid, verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Verstärkungselemente homogenisiert, insbesondere gemahlen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß beschichtete Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 beschichtete Verstärkungselemente verwendet werden.

11. Vorform für einen Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer reinen Metallschicht beschichtete Verstärkungselemente, insbesondere Car-bon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid umfasst, wobei die beschichteten Verstärkungselemente im wesentlichen gleichförmig verteilt sind.

12. Vorform nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie beschichtete Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern umfaßt.

13. Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper, dadurch gekennzeichnet, daß in der Metallmatrix mit einer reinen Metallschicht beschichtete Verstärkungselemente, insbesondere Carbon-Nano-Tubes (CNT), Carbon-Nano-Fasern (CNF), Carbon-Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Siliziumcarbid eingebettet sind, wobei die beschichteten Verstärkungselemente im wesentlichen gleichförmig verteilt sind.

14. Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente beschichtete Carbon-Nanotubes und/oder Carbon-Nanofasern umfassen. 1 2 AT 413 986 B

15. Metall-Matrix-Composite- (MMC-) Körper nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente im wesentlichen gleichförmig verteilt sind. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen