DE10007543A1 - Verfahren zur Beschichtung von einer aus mehreren Filamenten bestehenden Faser - Google Patents

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.

Vorteile der Erfindung

• - 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. Nextel^TM 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.

In der Anmeldung zitierte Literatur zum Stand der Technik

/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.

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.