DE10007543A1 - Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren Filamenten bestehenden Faser - Google Patents
Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren Filamenten bestehenden FaserInfo
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- D06M10/04—Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren Filamenten bestehenden Faser. Dabei wird die zu beschichtende Faser durch ein elektrisches Feld bewegt, wodurch die Filamente aufgespreizt werden. Danach wird die Faser im aufgespreizten Zustand beschichtet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren
Filamenten bestehenden Faser. Derartige Fasern werden insbesondere für die
Herstellung faserverstärkter Werkstoffe eingesetzt.
Endlosfasern (Faserbündel aus mehreren hundert bis zu mehreren tausend Fila
menten) werden in Keramiken als Verstärkung eingesetzt, um die Schadenstoleranz
gegenüber monolitischen Keramiken zu erhöhen und eine höhere "plastische"
Verformbarkeit zu erzielen. Bei der Herstellung von faserverstärkten Keramiken über
die Polymerpyrolyse /1/ kann es auf Grund des Matrixschwundes und des Dichte
sprunges bei der Umwandlung des Polymers in eine Keramik zu inneren Spannun
gen an der Faser-Matrix Grenzfläche kommen. Zusätzlich können durch die unter
schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Faser und Matrix thermi
schen Spannungen überlagert werden. Diese inneren Spannungen führen zur
Senkung der mechanischen Eigenschaften der Verbundkörper. Je stärker die
Anbindung der Matrix an die Faser ist, um so stärker ist die Vorschädigung der
Fasern im Verbund.
Schwächere Anbindungen führen zu einem Abbau der resultierenden Spannungen
an der Grenzfläche Faser-Matrix. Dadurch wird die Sprödigkeit des Verbundes stark
verringert und die mechanischen Eigenschaften verbessert. Bei einer zu geringen
Anbindung zwischen Faser und Matrix sinkt die Kraftüberleitung von der Matrix auf
die Faser, und die Festigkeit des Verbunds nimmt stark ab. Ziel bei der Herstellung
faserverstärkter Keramiken ist es daher, die Grenzfläche Faser-Matrix gezielt zu
schwächen und zu kontrollieren.
Eine Optimierung der Grenzflächenanbindung wird üblicherweise über eine kerami
sche Faserbeschichtung erreicht. Dabei werden Fasern vor der Herstellung des
Verbundkörpers beschichtet. Üblicherweise werden dazu folgende Beschichtungs
verfahren eingesetzt:
- - CVD (chemical vapour deposition),
- - PVD (physical vapour deposition),
- - Nasschemische Verfahren,
- - Elektrochemische Verfahren (elektrolytische, elektrophoretische, elektrostatische und anodische Abscheidung).
Bei allen Verfahrensarten besteht prinzipiell das Problem der Verklebung der Fila
mente während oder nach der Beschichtung. Die stärksten Verklebungen sind beim
nasschemischen Beschichten zu erwarten. Zwischen den Filamenten kommt es
durch einen Flüssigkeitsfilm zur Brückenbildung, welche zum größten Teil auf die
hohen Kapillarkräfte im Faserbündel zurückzuführen ist /2-5/.
Eine starke Brückenbildung respektive Verklebung des Faserbündels führt einerseits
zur schlechten Schlickeraufnahme während der späteren Infiltration des Faserbün
dels bei der Herstellung des Verbundwerkstoffs und andererseits zur vermehrten
Rissbildung zwischen den Filamenten.
Bei der nasschemischen Beschichtung ist eine Methode bekannt /6/, welche das
Verkleben nach der Beschichtung verhindert. Es wird dabei die Faser gleich nach
dem Tränken mit der Beschichtungslösung durch eine 1-Hexan Lösung gezogen,
welche eine schlechtere Benetzungsfähigkeit als die Beschichtungslösung, aber eine
bessere als Luft, zeigt. Dadurch kann das Verkleben beim Trocken verhindert
werden. Die schlecht benetzende Flüssigkeit muss dabei über der Oberfläche der
Beschichtungslösung liegen. Damit ist die Auswahl der zu verwendenden schlecht
benetzenden Flüssigkeiten stark eingeschränkt. Dieses Verfahren ist sehr kompli
ziert. Hexan ist eine feuergefährliche, reizende Substanz, die schon bei geringen
Mengen (500 ppm) erste narkotische Symptome zeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungsverfahren zu schaffen, mit der eine
Verklebung der Filamente während der Beschichtung weitgehend verhindert werden
kann.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die einzelnen Filamente der Faser über ein
- bevorzugt elektrostatisches - Aufspreizen vor der eigentlichen Beschichtung so weit
aufgeweitet, dass eine Verklebung während des Beschichtens durch Kapillarkräfte
nicht mehr möglich ist. Die elektrisch nichtleitenden Filamente werden mittels des
elektrischen Feldes aufgeladen und spreizen sich auf Grund ihrer gleichnamigen
Ladung voneinander ab. Die Aufspreizung der Filamente bleibt über den gesamten
Beschichtungsprozess erhalten.
- - Ein Verkleben der Filamente während des Beschichtungsvorgangs wird verhindert oder zumindest deutlich reduziert.
- - Eine Schädigung der Filamente wird weitestgehend verhindert.
- - Es ist eine gegenüber anderen Beschichtungsverfahren höhere Beschichtungsdi cke möglich.
- - Ein kontinuierlicher Beschichtungsbetrieb ist möglich. Das Verfahren ist im Hinblick auf einen wartungsarmen und störungsfreien Dauerbetrieb während des kontinuierlichen Beschichtens ausgelegt. Das Verfahren kann in eine kontinuier lich arbeitende Faserbeschichtungsanlage integriert werden. Die kontinuierliche Entfernung der vom Faserhersteller aufgebrachten Schlichte vor dem Aufspreizen ist darüber hinaus möglich.
- - Es können Faserbündel mit einer unterschiedlichen Anzahl von Filamenten bearbeitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Verarbeitung aller elektrisch nichtlei
tenden Endlosfasern eingesetzt werden. Geeignet sind insbesondere oxidische
Fasern, z. B. NextelTM 312, 440, 610, 720 vom Hersteller 3M.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für sämtliche Beschichtungsmethoden,
wie z. B. über einen nasschemischen Prozess, einen CVD-Prozess, einen PVD-
Prozess oder über elektrochemische Prozesse.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine
Figur näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung den Ablauf des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die zu beschichtende Endlosfaser wird von einer Rolle kontinuierlich abgerollt und
enischlichtet. Danach erfolgt die erfindungsgemäße Aufspreizung in der elektrostati
schen Aufspreizanlage AA, durch die die Faser gezogen wird. Darin ist zwischen
zwei Elektroden ein elektrisches Feld vorhanden. Das elektrische Feld kann entwe
der über eine Hochspannung, über das Bandgenerator-Prinzip oder über das van-de-
Graaff-Generator-Prinzip erzeugt werden. Damit der gesamte Faserstrang nicht
abgelenkt wird, sollte vorteilhaft ein hohes, homogenes elektrisches Feld herrschen.
Die Erzeugung des elektrischen Felds über eine Hochspannung hat sich am Besten
bewährt. Bei der Hochspannung sollte es sich um eine Gleichspannung handeln. Die
Hochspannung sollte zwischen 1 kV und 1000 kV, insbesondere zwischen 5 und 100 kV
liegen. Der Strom zwischen den beiden Elektroden kann bis auf wenige µA
reduziert werden.
Wie in der Figur dargestellt, kann besonders vorteilhaft eine Hochspannungselektrode
eingesetzt werden, die mehrere nadelförmige Oberflächenbereiche aufweist.
Vorteilhaft sollte das elektrische Feld nach außen abgeschirmt sein.
Nach Durchlaufen der Aufspreizanalge AA erfolgt der eigentliche Beschichtungs
schritt, z. B. durch einen nasschemischen Prozess mit anschließendem Thermalprozess,
z. B. einer Kalzinierung, bei der die Umwandlung in ein keramisches Material
erfolgt. Zwischen der nasschemischen Beschichtung und der Kalzinierung erfolgt
üblicherweise noch eine Trocknung. Die Aufspreizung der Faser muss im Wesentli
chen bis zum Abschluss des Thermalprozesses erhalten bleiben.
/1/ T. Haug, R. Ostertag, H. Knabe, U. Ehrman, J. Woltersdorf, "Processing and
Mechanical Properties of CMC's by the Infiltration and Pyrolysis of Si-
Polymers", (1993), Proceedings of the HAT_CMC, ECCM6, Borgeaux, Heraus
geber R. Naslain, J. Lamon, D. Doumeingts, Verlag Woodhead Publishing Limi
ted
/2/ US 5,164,229;
/3/ US 5,217,533;
/4/ Hay, R. S. and Hermes, E. E. (1990). "Sol-gel coatings on continuous ceramic fibers."; Ceram. Ena. Sci. Proc. 11 (9-10): 1526-1538;
/5/ Hazlebeck, D. A., Glatter, L. Y., et al. (1991). "Novel sol-gel coating techniques for ceramic tows: In-situ curing vs reaction bonding", Ceram. Eng. Sci. Proc. 12 (7-8): 1075-1085);
/6/ Hay, R. S. (1991). "Sol-gel coating of fiber tows"; Ceram. Ena. Sic. Proc. 12(7- 8): 1064-1074.
/2/ US 5,164,229;
/3/ US 5,217,533;
/4/ Hay, R. S. and Hermes, E. E. (1990). "Sol-gel coatings on continuous ceramic fibers."; Ceram. Ena. Sci. Proc. 11 (9-10): 1526-1538;
/5/ Hazlebeck, D. A., Glatter, L. Y., et al. (1991). "Novel sol-gel coating techniques for ceramic tows: In-situ curing vs reaction bonding", Ceram. Eng. Sci. Proc. 12 (7-8): 1075-1085);
/6/ Hay, R. S. (1991). "Sol-gel coating of fiber tows"; Ceram. Ena. Sic. Proc. 12(7- 8): 1064-1074.
Claims (8)
1. Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren Filamenten bestehenden
Faser, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Faser durch ein e
lektrisches Feld bewegt wird, wodurch die Filamente aufgespreizt werden und
die Faser danach im aufgespreizten Zustand beschichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld
ein elektrostatisches Feld ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf
spreizen der Filamente bei einer Spannung zwischen 1 und 1000 kV, insbeson
dere zwischen 5 und 100 kV erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass das elektrische Feld mittels einer Hochspannungselektrode erzeugt
wird, die mehrere nadelförmige Bereiche aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass die Beschichtung der aufgespreizten Faser mittels eines nasschemi
schen Prozesses, eines CVD-Verfahrens, eines PVD-Verfahres oder eines e
lektrochemischen Verfahrens erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass die Faser eine Endlosfaser ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, dass es kontinuierlich durchgeführt wird.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur
Herstellung faserverstärkter Werkstoffe.
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DE2000107543 DE10007543B4 (de) | 2000-02-18 | 2000-02-18 | Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren Filamenten bestehenden Faser |
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DE10007543B4 DE10007543B4 (de) | 2006-07-13 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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Cited By (2)
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US20230019661A1 (en) * | 2021-07-14 | 2023-01-19 | Raytheon Technologies Corporation | Electrostatic filament dispersal for cmc applications |
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2000
- 2000-02-18 DE DE2000107543 patent/DE10007543B4/de not_active Expired - Fee Related
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DE102020124168A1 (de) | 2020-09-16 | 2022-03-17 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren und Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserbündels |
DE102020124168B4 (de) | 2020-09-16 | 2023-07-27 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren und Vorrichtung zum Aufspreizen eines Faserbündels |
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US11851378B2 (en) * | 2021-07-14 | 2023-12-26 | Rtx Corporation | Electrostatic filament dispersal for CMC |
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