DE102020107743A1

DE102020107743A1 - Hybrid fiber and process for making it

Info

Publication number: DE102020107743A1
Application number: DE102020107743.2A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Liebig; Jonas Hüther; Oleg Saburow
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2021-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hybridfaser (1) zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen. Die Hybridfaser umfasst eine Metamatrix (2) und eine Vielzahl von Kurzfasern (3), wobei die Kurzfasern (3) in der Metamatrix eingebettet (2) sind und in dieser jeweils eine Orientierung aufweisen. Die Kurzfasern (3) weisen einen höheren Elastizitätsmodul auf als die Metamatrix (2), wodurch die mechanischen Eigenschaften der Hybridfaser (1) gezielt einstellbar sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Hybridfasern (1) und eine Verwendung der Hybridfaser (1) in einem Faserverbundwerkstoff.The invention relates to a hybrid fiber (1) for producing fiber composite materials. The hybrid fiber comprises a metamatrix (2) and a multiplicity of short fibers (3), the short fibers (3) being embedded (2) in the metamatrix and each having an orientation in it. The short fibers (3) have a higher modulus of elasticity than the metamatrix (2), as a result of which the mechanical properties of the hybrid fiber (1) can be adjusted in a targeted manner. The invention also relates to a method for producing hybrid fibers (1) and a use of the hybrid fiber (1) in a fiber composite material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hybridfaser zum Herstellen eines Faserverbundwerkstoffes gemäß dem ersten Patentanspruch und ein Verfahren zur Herstellung der Hybridfaser gemäß des Anspruchs 11, sowie eine Verwendung der Hybridfaser als Verstärkungsfaser in einem Faserverbundwerkstoff gemäß des Anspruchs 15.The invention relates to a hybrid fiber for producing a fiber composite material according to the first patent claim and a method for producing the hybrid fiber according to claim 11, as well as a use of the hybrid fiber as reinforcement fiber in a fiber composite material according to claim 15.

Faserverbundwerkstoffe, wie z.B. faserverstärkte Kunststoffe oder Textilbeton, bestehen in der Regel aus einer Matrix und in diese eingebundene Verstärkungsfasern. Durch den Verbund der Matrix und den Verstärkungsfasern sind die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffs manipulierbar. Es entsteht je nach Materialauswahl von Matrix und Verstärkungsfasern ein Werkstoff, dessen mechanische Eigenschaften nicht von einem der Einzelwerkstoffe erreicht werden können.Fiber composite materials, such as fiber-reinforced plastics or textile concrete, usually consist of a matrix and reinforcing fibers integrated into it. Due to the composite of the matrix and the reinforcing fibers, the mechanical properties of the fiber composite material can be manipulated. Depending on the material selected for the matrix and reinforcing fibers, a material is created whose mechanical properties cannot be achieved by one of the individual materials.

Durch eine Ausrichtung der Verstärkungsfasern entlang einer bestimmten Richtung wird die Festigkeit und der E-Modul des Faserverbundwerkstoffes in dieser Richtung gezielt erhöht. Insbesondere werden in der Matrix entstehende Risse durch die Fasern überbrückt und so eine zusätzliche Behinderung der Rissausbreitung als Verstärkungsmechnanismus generiert. Je nach Belastung können die Fasern als textile Halbzeuge aus Verstärkungsfasern, wie z.B. Gewebe oder Gelege, in verschiedenen Richtungen orientiert und abgelegt werden. Damit sind die mechanischen Eigenschaften in beliebig verschiedenen Richtungen gezielt anpassbar.By aligning the reinforcing fibers in a specific direction, the strength and the modulus of elasticity of the fiber composite material is increased in a targeted manner in this direction. In particular, cracks that arise in the matrix are bridged by the fibers and thus an additional hindrance to crack propagation is generated as a reinforcement mechanism. Depending on the load, the fibers can be oriented and laid down in different directions as semi-finished textile products made of reinforcing fibers, such as woven or non-woven fabrics. This means that the mechanical properties can be specifically adapted in any number of different directions.

Aus der Literatur sind monomateriale Verstärkungsfasern, d.h. monolithische Fasern aus einem Werkstoff, hinlänglich bekannt.Monomaterial reinforcing fibers, i.e. monolithic fibers made from one material, are sufficiently known from the literature.

[1] offenbart beispielsweise eine breite Übersicht über Faserverbundwerkstoffe mit einer Glas- und Glas-Keramik- Matrix auf Basis von ausgerichteten Endlosfasern aus Kohlenstoff, Aluminium- und Siliziumoxiden sowie Silizium-Carbid. Kohlenstofffasern liefern beispielsweise von allen marktgängigen Verstärkungsfasern die höchste Festigkeitssteigerung, wenn sie in einen Faserverbundwerkstoff integriert werden. [1] offenbart weiterhin, dass für die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes vor allem die Auswahl der Materialien für die Matrix und die Verstärkungsfasern relevant sind. Für die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes spielt auch die entstehende Grenzfläche zwischen Verstärkungsfasern und Matrix eine tragende Rolle, deren Beschaffenheit essentiellen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und das Ausbreitungsverhalten von Rissen in dem Faserverbundwerkstoff hat.[1] discloses, for example, a broad overview of fiber composite materials with a glass and glass-ceramic matrix based on aligned continuous fibers made of carbon, aluminum and silicon oxides and silicon carbide. Carbon fibers, for example, provide the highest increase in strength of all reinforcement fibers available on the market when they are integrated into a fiber composite material. [1] further discloses that the selection of the materials for the matrix and the reinforcing fibers are particularly relevant for the properties of the fiber composite material. The resulting interface between reinforcing fibers and matrix also plays a key role in the properties of the fiber composite material, the nature of which has an essential influence on the mechanical properties and the propagation behavior of cracks in the fiber composite material.

In [2] sind Faserverbundwerkstoffe auf Basis von ausgerichteten Kurzfasern aus einem Glas und Kohlenstoff offenbart. Als Matrix wird Epoxidharz verwendet. Die Eigenschaften des Faserverbundwerkstoffes sind über die proportionalen Anteile der Glas- und Kohlenstofffasern variierbar und auf die jeweiligen Anforderungen, die an den Faserverbundwerkstoff gestellt werden, abstimmbar. Aus den Kurzfasern wird zunächst ein vorimprägniertes Halbzeug hergestellt. Das Ausrichten der Kurzfasern in dem Halbzeug erfolgt durch eine hydrodynamische Methode, bei der eine Kurzfaser/Flüssigkeits-Aufschlämmung in eine rotierende Vakuumtrommel geleitet wird. Durch den entstehenden Unterdruck wird die Flüssigkeit abgesaugt und die Fasern werden auf der Trommeloberfläche festgehalten. Auf der Trommelfläche bilden sich Vliese aus Kurzfasern. Die Kurzfasern sind dabei im Wesentlichen in Drehrichtung der Trommel orientiert.In [2] fiber composite materials based on aligned short fibers made of a glass and carbon are disclosed. Epoxy resin is used as the matrix. The properties of the fiber composite material can be varied via the proportional proportions of the glass and carbon fibers and can be adapted to the respective requirements that are placed on the fiber composite material. A pre-impregnated semi-finished product is first made from the short fibers. The alignment of the short fibers in the semi-finished product is carried out using a hydrodynamic method in which a short fiber / liquid slurry is fed into a rotating vacuum drum. The resulting negative pressure sucks off the liquid and the fibers are held on the drum surface. Nonwovens made of short fibers are formed on the drum surface. The short fibers are essentially oriented in the direction of rotation of the drum.

[3] offenbart eine Herstellungsmethode für einen faserverstärkten Kunststoff mit ausgerichteten Glasfasern. Die Außenhülle der Glasfasern ist zusätzlich mit Kohlenstoff-Nanoröhren beschichtet, die magnetische Partikel enthalten. Die magnetisch beschichteten Glasfasern werden zunächst dem noch flüssigen Kunststoff zugegeben. Danach erfolgt die Aushärtung in einem statischen, homogenen Magnetfeld. Durch das Magnetfeld richten sich die mit der magnetischen Außenhülle versehenen Glasfasern entlang der Magnetfeldlinien aus. Nach der Aushärtung des Kunststoffes und dem Abschalten des Magnetfeldes bleiben die Glasfasern in ihrer ursprünglichen, durch das Magnetfeld vorgegebenen Richtung orientiert.[3] discloses a production method for a fiber-reinforced plastic with aligned glass fibers. The outer shell of the glass fibers is also coated with carbon nanotubes that contain magnetic particles. The magnetically coated glass fibers are first added to the still liquid plastic. Then the curing takes place in a static, homogeneous magnetic field. Due to the magnetic field, the glass fibers provided with the magnetic outer sheath align themselves along the magnetic field lines. After the plastic has hardened and the magnetic field has been switched off, the glass fibers remain oriented in their original direction, as determined by the magnetic field.

Allen vorgenannten Ansätzen gemein ist die Einschränkung, dass es sich bei den Verstärkungsfasern, die in Faserverbundwerkstoffe eingebracht und in diesen in einer Matrix eingebunden werden, um Monomaterialsysteme handelt. Eine maßgeschneiderte Einstellung ihrer physikalischen Eigenschaften wie z.B. der Dichte, der Steifigkeit, der Festigkeit, des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Querdehnung und der elektrischen Leitfähigkeit ist daher nur begrenzt möglich. Bisher erfolgt beispielsweise die Modifikation der physikalischen Eigenschaften von Glasfasern über eine Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Glases. Der Rahmen, in dem die physikalischen Eigenschaften der Glasfaser beeinflussbar ist, bleibt dabei jedoch maßgeblich begrenzt.All the aforementioned approaches have in common the restriction that the reinforcing fibers that are introduced into fiber composite materials and incorporated in a matrix are mono-material systems. A tailor-made setting of their physical properties such as density, stiffness, strength, coefficient of thermal expansion, transverse expansion and electrical conductivity is therefore only possible to a limited extent. So far, for example, the physical properties of glass fibers have been modified by changing the chemical composition of the glass. The framework within which the physical properties of the glass fiber can be influenced remains largely limited.

Monomateriale Verstärkungsfasern selbst ermöglichen zwar eine eingangs genannte Verstärkung, versagen aber selbst spontan durch Faserbruch bei Überlastung. Insbesondere monomateriale Verstärkungsfasern aus Glas oder Kohlenstoff zeigen ein ausgeprägtes Sprödbruchverhalten, d.h. sie versagen bei einer Überlastung im elastischen Bereich ohne eine zuvor stattfindende plastische Verformung.Monomaterial reinforcement fibers themselves allow the reinforcement mentioned at the beginning, but even fail spontaneously due to fiber breakage when overloaded. In particular, mono-material reinforcing fibers made of glass or carbon show a pronounced brittle fracture behavior, i.e. they fail in the event of an overload in the elastic range without prior plastic deformation.

Aufgrund ihrer filigranen Struktur und ihres geringen Durchmessers weisen die monomaterialen Verstärkungsfasern ungestützt ein Stabilitätsproblem unter Druckbelastung auf. Beispielsweise zeigen konventionelle Kohlenstofffasern relativ hohe Zugfestigkeiten, wobei gleichzeitig die Druckfestigkeit der Fasern aufgrund des geringen Faserdurchmessers und der damit einhergehenden Knickgefahr relativ niedrig ist. Im Gegensatz dazu weisen kommerziell erhältliche Glasfasern relativ hohe Druckfestigkeiten auf, da hier der Faserdurchmesser herstellungsbedingt größer ist als der Faserdurchmesser von Kohlenstoffasern. Glasfasern besitzen jedoch gegenüber Kohlenstofffasern einen geringeren Elastizitätsmodul (50 GPa bis 90 GPa anstelle üblicherweise 220 GPa bis 500 GPa).Due to their filigree structure and their small diameter, the mono-material reinforcing fibers have a stability problem under pressure when unsupported. For example, conventional carbon fibers show relatively high tensile strengths, while at the same time the compressive strength of the fibers is relatively low due to the small fiber diameter and the associated risk of kinking. In contrast to this, commercially available glass fibers have relatively high compressive strengths, since here the fiber diameter is greater than the fiber diameter of carbon fibers due to the manufacturing process. However, compared to carbon fibers, glass fibers have a lower modulus of elasticity (50 GPa to 90 GPa instead of the usual 220 GPa to 500 GPa).

Davon ausgehend liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Faser zur Verstärkung von Faserverbundwerkstoffen vorzuschlagen, die die oben genannten Einschränkungen überwindet.On this basis, one object of the invention is to propose a fiber for reinforcing fiber composite materials which overcomes the above-mentioned limitations.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Faser vorzuschlagen, die die oben genannten Einschränkungen überwindet.A further object of the invention is to propose a manufacturing method for a fiber which overcomes the above-mentioned limitations.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung eine Verwendung der Faser als Verstärkungsfaser in einem Faserverbundwerkstoff vorzuschlagen, die die oben genannten Einschränkungen überwindet.A further object of the invention is to propose a use of the fiber as a reinforcing fiber in a fiber composite material which overcomes the above-mentioned limitations.

Insbesondere liegt eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Verwendung der Faser als Verstärkungsfaser in einem faserverstärkten Kunststoff oder einem Texilbeton vorzuschlagen. In particular, it is an object of the invention to propose a use of the fiber as a reinforcing fiber in a fiber-reinforced plastic or a textile concrete.

Die Aufgaben werden mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 11 bzw. 15 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The objects are achieved with the features of claims 1, 11 and 15, respectively. The subclaims each describe advantageous embodiments of the invention.

Die Lösung der Aufgabe basiert auf einer Idee, die Verstärkungsfasern in einer Matrix eines Verbundwerkstoffes nicht monomaterial auszugestalten, sondern mit jeweils einem eigenen Verstärkungsmechanismus zu versehen. Eine solche Verstärkungsfaser mit einem eigenen Verstärkungsmechanismus wird im Folgenden Hybridfaser genannt.The solution to the problem is based on an idea of not designing the reinforcing fibers in a matrix of a composite material as a single material, but rather to provide them with their own reinforcement mechanism. Such a reinforcement fiber with its own reinforcement mechanism is referred to below as a hybrid fiber.

Die genannte Hybridfaser ist eine faserverstärkte Faser. Sie besteht aus einem Fasermaterial, in das wiederum eine Vielzahl von Kurzfasern eingebunden sind. Das Fasermaterial bildet somit eine Matrix für die Kurzfasern. Sie wird für eine bessere Abgrenzung zu der vorgenannten Matrix für eine Einbindung von Hybridfasern in einem Verbundwerkstoff im Folgenden als Metamatrix bezeichnet. Die Kurzfasern weisen jeweils eine Orientierung innerhalb der Metamatrix auf. Weiterhin zeichnen sich die Kurzfasern vorzugsweise durch ein Elastizitätsmodul aus, der höher ist, als der Elastizitätsmodul des Fasermaterials der Metamatrix.The hybrid fiber mentioned is a fiber-reinforced fiber. It consists of a fiber material in which a large number of short fibers are integrated. The fiber material thus forms a matrix for the short fibers. For a better differentiation from the aforementioned matrix for an integration of hybrid fibers in a composite material, it is referred to below as metamatrix. The short fibers each have an orientation within the metamatrix. Furthermore, the short fibers are preferably characterized by a modulus of elasticity that is higher than the modulus of elasticity of the fiber material of the metamatrix.

Die Hybridfasern selbst ist grundsätzlich wie im vorgenannten Stand der Technik beschrieben als Verstärkungsfaser in einem Matrixwerkstoff eines Verbundwerkstoffs einsetzbar. Sie unterscheidet sich folglich nur darin, dass sie selbst keine monomateriale Faser, sondern selbst eine Faserverbundkomponente darstellt.The hybrid fibers themselves can basically be used, as described in the aforementioned prior art, as reinforcing fibers in a matrix material of a composite material. It therefore only differs in that it is not a mono-material fiber itself, but a fiber composite component itself.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Hybridfaser ist die Vielzahl von Kurzfasern, die in die Metamatrix der Hybridfaser eingebettet sind. Die erfindungsgemäße Hybridfaser ist deshalb selbst ein mehrkomponentiges System und kein Monomaterialsystem. Sie besteht aus einem Materialverbund, der Metamatrix und den darin eingebetteten Kurzfasern. Über die Auswahl der Materialien von Metamatrix und der Kurzfasern, sowie dem Volumenanteil der Kurzfasern in der Metamatrix, sind die o.g. physikalischen Eigenschaften der Hybridfaser einstellbar. Die gewünschten physikalischen Eigenschaften der Hybridfaser richten sich nach den Anforderungen, die an ein Bauteil gestellt werden, das einen Faserverbundwerkstoff enthält, zu dessen Verstärkung die erfindungsgemäßen Hybridfasern eingesetzt werden.An essential feature of the hybrid fiber according to the invention is the large number of short fibers that are embedded in the metamatrix of the hybrid fiber. The hybrid fiber according to the invention is therefore itself a multi-component system and not a monomaterial system. It consists of a composite material, the metamatrix and the short fibers embedded in it. The above-mentioned physical properties of the hybrid fiber can be set by selecting the materials of the metamatrix and the short fibers, as well as the volume fraction of the short fibers in the metamatrix. The desired physical properties of the hybrid fiber depend on the requirements that are made of a component which contains a fiber composite material, for the reinforcement of which the hybrid fibers according to the invention are used.

Konventionelle, monomateriale Fasern beispielsweise aus Glas oder Kunststoff weisen diese Kombinationsmöglichkeiten naturgemäß nicht auf. Es ist davon auszugehen, dass die Druckeigenschaften von konventionellen kurzfaserverstärkten Kunststoffen verhältnismäßig schlecht sind, da die kurzen Kohlenstofffasern in der Matrix des Verbundwerkstoffs aufgrund einer geringen Matrix-Stützwirkung ausknicken. Glasfasern haben grundsätzlich geringere Steifigkeiten können jedoch mit einer Vergrößerung des Faserquerschnitts druckfester eingestellt werden. Kohlenstofffasern haben aufgrund ihres geringeren Querschnitts eine verminderte Druckfestigkeit jedoch die erwünschten hohen Steifigkeiten.Conventional, mono-material fibers, for example made of glass or plastic, naturally do not have these possible combinations. It can be assumed that the printing properties of conventional short-fiber-reinforced plastics are relatively poor, since the short carbon fibers in the matrix of the composite material buckle due to a low matrix support effect. Glass fibers generally have lower stiffnesses, but can be made more pressure-resistant by increasing the fiber cross-section. Due to their smaller cross-section, carbon fibers have a reduced compressive strength but the desired high stiffness.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Hybridfaser ist die Einbettung der Kurzfasern in der Metamatrix. Durch die Einbettung sind die Kurzfasern von der Metamatrix ummantelt und ein Ausknicken der Kurzfasern wird durch die Metamatrix verhindert. Eine zunehmende Steifigkeit der Metamatrix sorgt für eine zunehmende Stabilisierung der Kurzfasern innerhalb der Metamatrix insbesondere unter Druckbelastung. Dies führt zu einer erhöhten Druckfestigkeit und Steifigkeit der Hybridfaser im Vergleich zu einer Monomaterialfaser. Kurzfasern im Bereich der sogenannten kritischen Faserlänge weisen aufgrund des Größeneffekts eine hohe Zugfestigkeit auf, welche die Zugeigenschaften der Hybridfaser im Gegensatz zu konventionellen Monomaterialfasern verbessert.Another essential feature of the hybrid fiber according to the invention is the embedding of the short fibers in the metamatrix. As a result of the embedding, the short fibers are encased in the metamatrix and the short fibers are prevented from buckling by the metamatrix. An increasing rigidity of the metamatrix ensures an increasing stabilization of the short fibers within the metamatrix, especially under pressure. This leads to an increased compressive strength and rigidity of the hybrid fiber compared to a mono-material fiber. Short fibers in the area of the so-called critical fiber length have a high tensile strength due to the size effect, which increases the tensile properties of the Hybrid fiber improved in contrast to conventional monomaterial fibers.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Hybridfasern werden einer Schmelze aus Metamatrixmaterial Kurzfasern als Verstärkungsmaterial zugegeben. Während des Herstellungsprozesses werden die Kurzfasern in der Metamatrix eingebettet. Vorzugsweise sind dabei mehrere Kurzfasern nebeneinander und/oder versetzt nebeneinander in der Hybridfaser eingebettet. Der Durchmesser der Hybridfaser ist dabei angepasst an die Durchmesser der Kurzfasern, derart, dass die Kurzfasern innerhalb der Hybridfaser eingebettet bleiben. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht deshalb eine Hybridfaser vor, die einen gegenüber konventionellen Monomaterialfasern erhöhten Durchmesser aufweist. Dadurch verbessert sich das Flächenträgheitsmoment der Hybridfaser gegenüber konventionellen Monomaterialfasern, woraus verbesserte Druckeigenschaften resultieren. Je nach Materialkombination kann die Dichte der Hybridfaser gegenüber einer konventionellen ohne Hybridisierung verringert werden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht auch die Nutzung der umhüllenden Metamatrix für empfindliche Fasern vor aggressiven Umgebungen vor. Ein Schutz vor oxidierenden Umgebungen für Kohlenstofffasern durch eine geeignete Metamatrix kann die Nutzung der hohen Einsatztemperatur von Kohlenstofffasern in ganz neuen Anwendungen wie heißen, oxidativen Turbinen ermöglichen.To produce the hybrid fibers according to the invention, short fibers are added as reinforcement material to a melt of metamatrix material. During the manufacturing process, the short fibers are embedded in the metamatrix. A plurality of short fibers are preferably embedded next to one another and / or offset next to one another in the hybrid fiber. The diameter of the hybrid fiber is adapted to the diameter of the short fibers in such a way that the short fibers remain embedded within the hybrid fiber. One embodiment of the invention therefore provides a hybrid fiber which has a diameter that is greater than that of conventional monomaterial fibers. This improves the geometrical moment of inertia of the hybrid fiber compared to conventional monomaterial fibers, which results in improved printing properties. Depending on the combination of materials, the density of the hybrid fiber can be reduced compared to a conventional one without hybridization. An embodiment of the invention also provides for the use of the enveloping metamatrix for sensitive fibers from aggressive environments. Protection against oxidizing environments for carbon fibers through a suitable metamatrix can enable the use of the high operating temperature of carbon fibers in completely new applications such as hot, oxidative turbines.

Wesentlich für die mechanischen Eigenschaften der Hybridfaser ist die Orientierung der Kurzfasern innerhalb der Metamatrix. Die Kurzfasern bilden eine Verstärkung innerhalb der Hybridfaser, die deren mechanischen Eigenschaften verbessert. Über die Orientierung der Kurzfasern ist die Wirkrichtung der Verstärkung innerhalb der Hybridfaser einstellbar. Je nachdem, wie die erfindungsgemäße Hybridfaser in einen Faserverbundwerkstoff eingelegt wird, ist die Verstärkung auch innerhalb des Faserverbundwerkstoffes orientierbar. Dadurch ist beispielsweise ein Bauteil, das aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist, der die erfindungsgemäßen Hybridfasern enthält, gezielt in diejenigen Richtungen verstärkbar, in denen konstruktionstechnisch die größten Lasteinwirkungen erwartet werden.The orientation of the short fibers within the metamatrix is essential for the mechanical properties of the hybrid fiber. The short fibers form a reinforcement within the hybrid fiber that improves its mechanical properties. The direction of the reinforcement within the hybrid fiber can be adjusted via the orientation of the short fibers. Depending on how the hybrid fiber according to the invention is inserted into a fiber composite material, the reinforcement can also be oriented within the fiber composite material. As a result, for example, a component that is made from a fiber composite material that contains the hybrid fibers according to the invention can be specifically reinforced in those directions in which the greatest load effects are expected from a structural point of view.

Vorzugsweise ist der Elastizitätsmodul der Kurzfasern höher als der Elastizitätsmodul der Metamatrix. Durch die Kombination einer Metamatrix mit Kurzfasern, deren Elastizitätsmodul höher ist, als der Elastizitätsmodul der Metamatrix selbst, ist eine Hybridfaser herstellbar, die einen höheren Elastizitätsmodul aufweist als eine monomateriale Faser aus dem Material der Metamatrix. Die Kurzfasern bewirken somit eine Verstärkung der Hybridfaser.The modulus of elasticity of the short fibers is preferably higher than the modulus of elasticity of the metamatrix. By combining a metamatrix with short fibers whose modulus of elasticity is higher than the modulus of elasticity of the metamatrix itself, a hybrid fiber can be produced which has a higher modulus of elasticity than a monomaterial fiber made from the material of the metamatrix. The short fibers thus reinforce the hybrid fiber.

Bei einer vergleichbaren Fasergeometrie, insbesondere bei gleichem Faserdurchmesser, weist durch den gesteigerten Elastizitätsmodul eine Hybridfaser mit einer Metamatrix insgesamt jeweils höhere Festigkeitskennwerte auf, als eine vergleichbare Monomaterialfaser aus dem gleichen Metamatrixmaterial. Insbesondere weist die Hybridfaser in Richtung der Kurzfasern erhöhte Festigkeitskennwerte auf.With a comparable fiber geometry, in particular with the same fiber diameter, a hybrid fiber with a metamatrix has overall higher strength parameters than a comparable monomaterial fiber made of the same metamatrix material due to the increased modulus of elasticity. In particular, the hybrid fiber has increased strength characteristics in the direction of the short fibers.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht eine Hybridfaser vor, die eine Festkörperdichte über 97% oder 98%, weiter bevorzugt über 99,5% bis 99,99% aufweist. Vorzugsweise wird die Hybridfaser dabei nur durch die Metamatrix, die darin eingebetteten Kurzfasern sowie alternativ technisch bekannte Zuschlagstoffe gebildet. Bei diesen Zuschlagstoffen handelt es sich vorzugsweise um Oxid- und Dioxidverbindungen, wie sie bei der Glas- und/oder Basaltherstellung zum Einsatz kommen. Sie dienen einerseits einer besseren, vorzugsweise stoffschlüssigen Anbindung der Kurzfasern an das Material der Metamatrix, andererseits der Auffüllung möglicher Hohlvolumina in der Metamatrix und sind daher vorzugsweise in dieser homogen verteilt. Somit zeigt die erfindungsgemäße Hybridfaser in einer bevorzugten Ausgestaltung weder Lufteinschlüsse noch weitere Fremdphasen. Insbesondere weist die Hybridfaser dabei keine intrinsischen Fehlstellen auf, die Ausgangspunkt einer Rissausbreitung sind und zum Versagen der Hybridfaser führen.A preferred embodiment provides a hybrid fiber which has a solids density of over 97% or 98%, more preferably over 99.5% to 99.99%. The hybrid fiber is preferably formed only by the metamatrix, the short fibers embedded therein and, alternatively, technically known additives. These additives are preferably oxide and dioxide compounds such as those used in glass and / or basalt production. They serve on the one hand for a better, preferably cohesive connection of the short fibers to the material of the metamatrix, on the other hand to fill possible hollow volumes in the metamatrix and are therefore preferably homogeneously distributed in it. Thus, in a preferred embodiment, the hybrid fiber according to the invention shows neither air inclusions nor further foreign phases. In particular, the hybrid fiber does not have any intrinsic defects, which are the starting point for crack propagation and lead to failure of the hybrid fiber.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hybridfaser sind die Kurzfasern in einer Richtung axial zur Hybridfaser orientiert und sorgen für eine Verstärkung der mechanischen Eigenschaften der Hybridfaser in dieser Richtung. Axial bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Orientierungsverteilung der Kurzfasern in der Hybridfaser ein Maximum aufweist, die in die axiale Ausrichtung der Hybridfaser folgt, d.h. parallel zu dieser ausgerichtet ist. Grundsätzlich schließt dies nicht aus, dass die Orientierungsverteilung auch alle anderen Ausrichtungen der Kurzfasern zur Hybridfaserorientierungen umfasst. Vorzugsweise weisen aber ein überwiegender Anteil, d.h. über 50% der erfassten Kurzfasern eine Orientierung auf, die parallel zur Hybridfaser und/oder von der Orientierung jener mit einem spitzen Winkel von maximal 25°, vorzugsweise 20°, 15° oder weiter bevorzugt 10° abweicht. Dadurch ist beispielsweise ein Bauteil, das aus einem Faserverbundwerkstoff gefertigt ist, der die erfindungsgemäßen Hybridfasern enthält, insbesondere in diejenigen Richtungen verstärkbar, in die die Hybridfasern eingebunden sind.In a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention, the short fibers are oriented in a direction axially to the hybrid fiber and ensure a reinforcement of the mechanical properties of the hybrid fiber in this direction. In this context, axial means that the orientation distribution of the short fibers in the hybrid fiber has a maximum that follows the axial alignment of the hybrid fiber, i.e. is aligned parallel to it. In principle, this does not rule out that the orientation distribution also includes all other orientations of the short fibers with respect to hybrid fiber orientations. Preferably, however, a predominant proportion, ie over 50% of the recorded short fibers have an orientation that deviates parallel to the hybrid fiber and / or from the orientation of those with an acute angle of a maximum of 25 °, preferably 20 °, 15 ° or more preferably 10 ° . As a result, for example, a component that is made from a fiber composite material that contains the hybrid fibers according to the invention can be reinforced in particular in those directions in which the hybrid fibers are integrated.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hybridfaser weist eine Metamatrix aus einem Glas auf, sowie Kohlenstoff-Kurzfasern. Diese Kurzfasern weisen insbesondere im Bereich der kritischen Faserlänge, die proportional zum Durchmesser der Kurzfasern ist, aufgrund ihrer Beschaffenheit, d.h. durch die atomare Bindung zwischen Kurzfasern und Metamatrix oder durch Formschlusseffekte, die durch die Einbettung der Kurzfasern in der Metamatrix hervorgerufen werden, und des Größeneffekts hohe Steifigkeits- und/oder Festigkeitskennwerte auf. Für die kritische Faserlänge spielt dabei das Verhältnis zwischen der Länge der Kurzfaser und ihres Durchmessers eine Rolle und nicht die absolute Größe der Kurzfaser. Die Länge der Kurzfasern ist vorzugsweise größer als die kritische Faserlänge, um eine maximale Festigkeit der Hybridfaser zu gewährleisten. Durch die Kombination der Kohlenstoff-Kurzfasern mit einer Glas-Matrix zu einer Hybridfaser werden die mechanischen Eigenschaften der entstandenen Hybridfaser axial in Faserrichtung erhöht und gleichzeitig die Dichte der Faser verringert.Another preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention has a metamatrix made of a glass, as well as short carbon fibers. These short fibers have, in particular, in the area of the critical fiber length, which is proportional to the The diameter of the short fibers is due to their nature, ie due to the atomic bond between the short fibers and the metamatrix or the form-fit effects caused by the embedding of the short fibers in the metamatrix, and the size effect on high stiffness and / or strength parameters. For the critical fiber length, the ratio between the length of the short fiber and its diameter plays a role and not the absolute size of the short fiber. The length of the short fibers is preferably greater than the critical fiber length in order to ensure maximum strength of the hybrid fiber. By combining the short carbon fibers with a glass matrix to form a hybrid fiber, the mechanical properties of the resulting hybrid fiber are increased axially in the fiber direction and the density of the fiber is reduced at the same time.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Hybridfaser ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzfasern vollständig von der Metamatrix umhüllt sind. Die Oberfläche der Hybridfaser wird dabei von der Metamatrix gebildet. Die Kurzfasern verbleiben unterhalb dieser Oberfläche.A preferred embodiment of the hybrid fiber is characterized in that the short fibers are completely enveloped by the metamatrix. The surface of the hybrid fiber is formed by the metamatrix. The short fibers remain below this surface.

In einer bevorzugten Ausführungsform der oben genannten Ausgestaltungen besteht die Metamatrix der erfindungsgemäßen Hybridfaser aus einem Glas, in das Kohlenstoff-Kurzfasern, eingebettet sind. Die Kurzfasern sind vollständig von der Metamatrix aus Glas umhüllt, so dass die Oberfläche der Hybridfaser durch das Glas gebildet wird. Da Glas ein elektrischer Isolator ist, wird so eine Hybridfaser gebildet, deren Oberfläche elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.In a preferred embodiment of the above-mentioned configurations, the metamatrix of the hybrid fiber according to the invention consists of a glass in which short carbon fibers are embedded. The short fibers are completely enveloped by the metamatrix made of glass, so that the surface of the hybrid fiber is formed by the glass. Since glass is an electrical insulator, a hybrid fiber is formed, the surface of which has electrically insulating properties.

Da Kohlenstoff im Allgemeinen bei Kontakt mit Metall zu Korrosion neigt, wird durch diese Gestaltung der Oberfläche eine elektrische Isolation der Kurz-Kohlenstofffasern im Inneren der Hybridfaser gewährleistet. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die erfindungsgemäßen Hybridfasern in einem Faserverbundwerkstoff zum Einsatz kommen, aus dem ein Bauteil gefertigt wird, das mit einem Metall in Kontakt kommt. Zusätzliche konstruktive Maßnahmen zur Unterbrechung einer möglichen galvanischen Kette zwischen den Kohlenstoff-Kurzfasern und dem Metall entfallen.Since carbon generally tends to corrode when it comes into contact with metal, this design of the surface ensures electrical insulation of the short carbon fibers inside the hybrid fiber. This is particularly advantageous if the hybrid fibers according to the invention are used in a fiber composite material from which a component is manufactured that comes into contact with a metal. Additional constructive measures to interrupt a possible galvanic chain between the short carbon fibers and the metal are not required.

Eine alternative Ausgestaltung der Hybridfaser sieht vor, dass die Kurzfasern nicht vollständig in der Metamatrix eingebettet sind, und aus der Oberfläche der Hybridfaser zumindest teilweise herausragen. Für die Weiterverarbeitung der Hybridfaser in einem Faserverbundwerkstoff bewirkt dies eine formschlüssige Verbindung zwischen der Hybridfaser und dem Faserverbundwerkstoff. Die formschlüssige Verbindung entsteht hierbei durch das Ineinandergreifen der aus der Oberfläche der Hybridfaser herausstehenden Kurzfasern und der Matrix des Faserverbundwerkstoffs. Diese Ausgestaltung kann auch genutzt werden um die geometrische Gesamtfläche des Faser/Matrix - Interface zu erhöhen, als auch ihre chemischen Eigenschaften zu variieren um eine optimale Anpassung an das Matrixmaterial zu erhalten.An alternative embodiment of the hybrid fiber provides that the short fibers are not completely embedded in the metamatrix and at least partially protrude from the surface of the hybrid fiber. For the further processing of the hybrid fiber in a fiber composite material, this results in a form-fitting connection between the hybrid fiber and the fiber composite material. The positive connection is created by the interlocking of the short fibers protruding from the surface of the hybrid fiber and the matrix of the fiber composite material. This configuration can also be used to increase the total geometric area of the fiber / matrix interface and to vary its chemical properties in order to obtain an optimal adaptation to the matrix material.

In einer Ausführungsform besteht die Metamatrix der Hybridfaser aus einem Glas oder einem Basalt oder einem Material enthaltend Glas und/oder Basalt. Die Kurzfasern sind von der Metamatrix ummantelt und ein Ausknicken der Kurzfasern wird durch die Metamatrix verhindert. Eine zunehmende Steifigkeit der Metamatrix sorgt für eine zunehmende Stabilisierung der Kurzfasern innerhalb der Metamatrix insbesondere unter Druckbelastung. Vorzugsweise ist die Metamatrix in der genannten Ausführungsform deshalb von einem Glas oder einem Basalt oder einem Material enthaltend Glas und/oder Basalt gebildet. Ein Ausknicken der Kurzfasern unter Druckbelastung wird somit verhindert. Dies führt zu einer erhöhten Druckfestigkeit und Steifigkeit der Hybridfaser im Vergleich zu einer Monomaterialfaser.In one embodiment, the metamatrix of the hybrid fiber consists of a glass or a basalt or a material containing glass and / or basalt. The short fibers are sheathed by the metamatrix and the short fibers are prevented from buckling by the metamatrix. An increasing rigidity of the metamatrix ensures an increasing stabilization of the short fibers within the metamatrix, especially under pressure. In the embodiment mentioned, the metamatrix is therefore preferably formed from a glass or a basalt or a material containing glass and / or basalt. This prevents the short fibers from buckling under pressure. This leads to an increased compressive strength and rigidity of the hybrid fiber compared to a mono-material fiber.

Sowohl bei Glas als auch bei Basalt handelt es sich um hochsteife Materialien. Eine Metamatrix aus Glas und/oder Basalt weist einen höheren Elastizitätsmodul auf, als eine konventionelle Polymermatrix, wodurch der Hybridfaser mehr Stabilität verliehen wird. Als Metamatrix eingesetzt bewirken diese Materialien, dass die Kurzfasern in eine hochsteife Ummantelung eingebettet werden. Weiterhin weist die Ausführungsform Kurzfasern bevorzugt aus einem Kohlenstoff und/oder einer Keramik auf. Beide Materialien zeichnen sich durch hohe Festigkeitswerte aus und sorgen durch die Einbettung in die Metamatrix für eine Erhöhung der Festigkeitskennwerte (insbesondere Zugfestigkeit, Druckfestigkeit) der Hybridfaser im Gegensatz zu einer konventionellen Monomaterialfaser. In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Hybridfaser eine Metamatrix aus einem Glas, mit darin eingebetteten Kohlenstoff-Kurzfasern, die axial in Richtung zur Hybridfaser ausgerichtet sind. Zur Herstellung einer solchen Hybridfaser werden einer Schmelze aus einem Glas Kohlenstoff-Kurzfasern zugegeben. Die physikalischen Eigenschaften der Hybridfaser werden über den Volumenanteil der Kurzfasern eingestellt.Both glass and basalt are highly rigid materials. A metamatrix made of glass and / or basalt has a higher modulus of elasticity than a conventional polymer matrix, which gives the hybrid fiber more stability. When used as a metamatrix, these materials ensure that the short fibers are embedded in a highly rigid sheathing. Furthermore, the embodiment has short fibers preferably made of a carbon and / or a ceramic. Both materials are characterized by high strength values and, by being embedded in the metamatrix, ensure an increase in the strength parameters (especially tensile strength, compressive strength) of the hybrid fiber in contrast to a conventional mono-material fiber. In a further preferred embodiment, the hybrid fiber according to the invention comprises a metamatrix made of a glass, with short carbon fibers embedded therein, which are oriented axially in the direction of the hybrid fiber. To produce such a hybrid fiber, short carbon fibers are added to a glass melt. The physical properties of the hybrid fiber are adjusted via the volume fraction of the short fibers.

In einer alternativen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Hybridfaser eine Metamatrix aus einem Basalt, mit darin eingebetteten Keramik-Kurzfasern, die axial in Richtung zur Hybridfaser ausgerichtet sind. Zur Herstellung einer solchen Hybridfaser werden einer Basalt-Schmelze Keramik-Kurzfasern zugegeben. Die physikalischen Eigenschaften der Hybridfaser werden über den Volumenanteil der Kurzfasern eingestellt.In an alternative embodiment, the hybrid fiber according to the invention comprises a metamatrix made of a basalt, with ceramic short fibers embedded therein, which are oriented axially in the direction of the hybrid fiber. To produce such a hybrid fiber, short ceramic fibers are added to a basalt melt. The physical properties of the hybrid fiber are adjusted via the volume fraction of the short fibers.

Eine bevorzugte Ausführungsform der oben genannten Ausgestaltungen umfasst eine Hybridfaser, deren Metamatrix einen Durchmesser zwischen 10 µm bis 500 µm, bevorzugt zwischen 20 µm oder 50 µm bis 100 µm oder 200 µm aufweist und/oder Kurzfasern mit einem Durchmesser zwischen 1 µm bis 50 µm, bevorzugt zwischen 2 µm oder 5 µm bis 10 µm oder 20 µm, die in die Metamatrix eingebettet sind. Der Durchmesser der Hybridfaser ist dabei größer gewählt, als der Durchmesser der Kurzfasern. Vorzugsweise liegen mehrere Kurzfasern in dem Durchmesser der Hybridfaser nebeneinander und/oder versetzt nebeneinander. Ein Ausknicken der Kurzfasern wird über die Ummantelung durch die Metamatrix verhindert. Die Länge der Kurzfasern beträgt in dieser Ausführungsform zwischen 0,01 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,1 mm oder 0,5 mm bis 1,0 mm oder 2,0 mm. Vorzugsweise liegt die Länge der Kurzfasern im Bereich der sogenannten kritischen Faserlänge. Kurzfasern dieser Länge weisen aufgrund ihrer Beschaffenheit und des sogenannten Größeneffekts hohe Steifigkeits- und Festigkeitskennwerte auf. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften in Richtung der Hybridfaser erhöht.A preferred embodiment of the above-mentioned configurations comprises a hybrid fiber whose metamatrix has a diameter between 10 µm to 500 µm, preferably between 20 µm or 50 µm to 100 µm or 200 µm and / or short fibers with a diameter between 1 µm to 50 µm, preferably between 2 µm or 5 µm to 10 µm or 20 µm, which are embedded in the metamatrix. The diameter of the hybrid fiber is selected to be larger than the diameter of the short fibers. A plurality of short fibers are preferably located next to one another and / or offset next to one another with the same diameter as the hybrid fiber. Buckling of the short fibers is prevented by the sheathing through the metamatrix. The length of the short fibers in this embodiment is between 0.01 mm and 10 mm, preferably between 0.1 mm or 0.5 mm to 1.0 mm or 2.0 mm. The length of the short fibers is preferably in the range of the so-called critical fiber length. Short fibers of this length have high stiffness and strength parameters due to their nature and the so-called size effect. This increases the mechanical properties in the direction of the hybrid fiber.

Der Rahmen der Erfindung deckt auch eine Kombination der genannten Ausgestaltungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hybridfaser ab. Ein Merkmal einer solchen Kombination ist die Zusammenführung mindestens einer Hybridfaser zu einem Faserbündel (Roving). In diesem Faserbündel sind die einzelnen Hybridfasern parallel zueinander angeordnet.The scope of the invention also covers a combination of the aforementioned configurations and embodiments of the hybrid fiber according to the invention. A feature of such a combination is the merging of at least one hybrid fiber into a fiber bundle (roving). The individual hybrid fibers are arranged parallel to one another in this fiber bundle.

Ein weiteres Beispiel zur Kombination der genannten Ausgestaltungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hybridfaser ist die Anordnung von mindestens einer Hybridfaser in einem Faserverbundwerkstoff vorzugsweise in einem faserverstärkten Kunststoff und/oder in einem Textilbeton. Die Hybridfasern sind dabei vorzugsweise kombiniert zu einem Faserbündel und/oder einem Gewebe, das aus einzelnen Faserbündeln besteht und/oder einem Geflecht, das aus einzelnen Faserbündeln besteht. Sie sind eingebettet in einer äußeren Matrix und bilden mit ihr den Faserverbundwerkstoff.Another example for combining the above-mentioned configurations and embodiments of the hybrid fiber according to the invention is the arrangement of at least one hybrid fiber in a fiber composite material, preferably in a fiber-reinforced plastic and / or in a textile concrete. The hybrid fibers are preferably combined to form a fiber bundle and / or a fabric that consists of individual fiber bundles and / or a mesh that consists of individual fiber bundles. They are embedded in an outer matrix and together with it form the fiber composite material.

Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Herstellung von Hybridfasern vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte, vorzugsweise in der angegebenen chronologischen Reihenfolge:

a) Bereitstellung eines Schmelzofens mit Ziehdüsen, bevorzugt umfassend einen Schmelzofentiegel mit vorzugsweise nach unten weisende Ziehdüsen als Öffnungen im Schmelzofentiegel,
b) Bereitstellung eines Metamatrixmaterials und einer Vielzahl von Kurzfasern sowie bevorzugt optional Zuschlagstoffe,
c) Einfüllen und Aufschmelzen des Metamatrixmaterials und optional der Zuschlagstoffe in dem Schmelzofen zu einer Schmelze,
d) Zugabe der Kurzfasern in die Schmelze, wobei ein Volumenanteil der Kurzfasern in der Schmelze zwischen 20% und 70%, vorzugsweise zwischen 30% und 60%, weiter bevorzugt zwischen 40% und 55% einstellt wird,
e) Durchmischung der Schmelze in dem Schmelzofen, wobei die Kurzfasern in der Schmelze verteilt werden,
f) Ziehen von Hybridfasern mit einer Metamatrix und darin eingebundenen Kurzfasern aus der Schmelze mit den Kurzfasern aus den Ziehdüsen des Schmelzofens,
g) Verstrecken der Hybridfasern nach dem Austritt aus den Ziehdüsen, wobei die Kurzfasern in der Metamatrix axial zur Hybridfaser orientiert werden und wobei sich der Durchmesser der Hybridfaser einstellt.

To achieve the object, a method for producing hybrid fibers is also proposed. The process comprises the following process steps, preferably in the given chronological order:

a) Provision of a melting furnace with drawing nozzles, preferably comprising a melting furnace crucible with preferably downwardly pointing drawing nozzles as openings in the melting furnace crucible,
b) Provision of a metamatrix material and a large number of short fibers and, preferably, optional additives,
c) Filling and melting the metamatrix material and optionally the additives in the melting furnace to form a melt,
d) adding the short fibers to the melt, setting a volume fraction of the short fibers in the melt between 20% and 70%, preferably between 30% and 60%, more preferably between 40% and 55%,
e) thorough mixing of the melt in the melting furnace, the short fibers being distributed in the melt,
f) drawing of hybrid fibers with a metamatrix and short fibers bound therein from the melt with the short fibers from the drawing nozzles of the melting furnace,
g) Drawing the hybrid fibers after exiting the drawing nozzles, the short fibers in the metamatrix being oriented axially to the hybrid fiber and the diameter of the hybrid fiber being established.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens wird dadurch erzielt, dass die Schmelze, die eine Viskosität aufweist, durch die Ziehdüsen zu Hybridfasern gezogen wird und dabei zwar zunehmend, aber nicht spontan erstarrt. Die Hybridfasern weisen nach dem Austritt aus den Ziehdüsen zunächst ebenfalls eine Viskosität auf.A particular advantage of the method is achieved in that the melt, which has a viscosity, is drawn through the drawing nozzles to form hybrid fibers and, in the process, solidifies increasingly, but not spontaneously. After exiting the drawing nozzles, the hybrid fibers also initially have a viscosity.

Aufgrund der Viskosität der Schmelze ist die Strömung der Schmelze bis zum Durchtritt durch die Ziehdüsen laminar. Dabei und danach kommt es zu einer zunehmenden Erstarrung der Schmelze und damit zu einem Einfrieren der Kurzfasern in der sich bildenden Hybridfaser. Dabei werden die in der Schmelze enthaltenen Kurzfasern beim Passieren der Ziehdüsen in Fließrichtung der Schmelze und axial zu den Ziehdüsen ausgerichtet. Nach dem Passieren der Ziehdüsen wird die Schmelze in eine vorgegebene Richtung zu Hybridfasern gezogen und verstreckt. Die zunächst in Fließrichtung der Schmelze ausgerichteten Kurzfasern bleiben nach dem Passieren der Ziehdüsen axial orientiert in Richtung der aus den Ziehdüsen gezogenen Hybridfasern.Due to the viscosity of the melt, the flow of the melt is laminar until it passes through the drawing nozzles. During this and afterwards, the melt increasingly solidifies and the short fibers freeze in the hybrid fiber that is being formed. The short fibers contained in the melt are aligned in the flow direction of the melt and axially to the drawing nozzles as they pass the drawing nozzles. After passing through the drawing nozzles, the melt is drawn and drawn in a specified direction to form hybrid fibers. The short fibers, which are initially aligned in the flow direction of the melt, remain axially oriented in the direction of the hybrid fibers drawn from the drawing nozzles after they have passed the drawing nozzles.

Im weiteren Verfahren, nach dem Verstrecken erkalten die Hybridfasern kontinuierlich und erstarren zu festen Fasern. Damit erstarren auch die Kurzfasern in ihrer Position, orientiert axial in Richtung der Hybridfaser.In the further process, after stretching, the hybrid fibers cool continuously and solidify into solid fibers. This means that the short fibers also solidify in their position, oriented axially in the direction of the hybrid fiber.

Über den Grad der Verstreckung ist weiterhin der Durchmesser der Hybridfaser einstellbar.The diameter of the hybrid fiber can also be adjusted via the degree of stretching.

Die Festigkeitskennwerte von den aus dem Stand der Technik bekannten Monomaterialfasern sind durch die Beimengung von Kurzfasern während des oben genannten Herstellungsprozesses ebenfalls steigerbar.The strength characteristics of the monomaterial fibers known from the prior art can also be increased by adding short fibers during the above-mentioned manufacturing process.

Bei den Zuschlagstoffen handelt es sich vorzugsweise um Oxid- und Dioxidverbindungen, wie sie in der konventionellen Glas- und/oder Basaltherstellung zum Einsatz kommen. Sie sind homogen in der Metamatrix der hergestellten Hybridfaser verteilt und stellen keine intrinsischen Fehlstellen oder Sollbruchstellen dar.The additives are preferably oxide and dioxide compounds such as those used in conventional glass and / or basalt production. They are distributed homogeneously in the metamatrix of the hybrid fiber produced and do not represent any intrinsic defects or predetermined breaking points.

Für die Weiterverarbeitung der durch das o.g. Verfahren hergestellten Hybridfasern wird optional folgender zusätzlicher Verfahrensschritt vorgeschlagen:

h) Aufbringen einer Schlichte auf die Hybridfasern.

For the further processing of the hybrid fibers produced by the above-mentioned process, the following additional process step is proposed as an option:

h) applying a size to the hybrid fibers.

Durch die aufgebrachte Schlichte werden die Hybridfasern auf die Weiterverarbeitung zu einem Faserbündel und in einem Faserverbundwerkstoff vorbereitet. Die aufgebrachte Schlichte verklebt die Oberfläche der Hybridfasern, so dass der Zusammenhalt mehrerer Hybridfasern in einem Faserbündel erleichtert wird. Dabei schützt die Schlichte Fasern und Faserbündel. Weiterhin dient die Schlichte beim Verarbeiten der Hybridfasern in einem Faserverbundwerkstoff als Haftvermittler zwischen dem gewählten Matrixmaterial und den Hybridfasern.The applied size prepares the hybrid fibers for further processing into a fiber bundle and in a fiber composite material. The applied size bonds the surface of the hybrid fibers so that the holding together of several hybrid fibers in a fiber bundle is facilitated. The size protects fibers and fiber bundles. Furthermore, when processing the hybrid fibers in a fiber composite material, the size serves as an adhesion promoter between the selected matrix material and the hybrid fibers.

Für den Einsatz der durch das o.g. Verfahren hergestellten Hybridfasern in einem Faserverbundwerkstoff wird optional folgender zusätzlicher Verfahrensschritt vorgeschlagen:

i) Bündeln der Hybridfasern zu einem Faserbündel.

For the use of the hybrid fibers produced by the above-mentioned process in a fiber composite material, the following additional process step is proposed as an option:

i) Bundling the hybrid fibers into a fiber bundle.

Für die Verwendung in einem Faserverbundwerkstoff ist es vorteilhaft, die Hybridfasern gebündelt zu einem Faserbündel zur Verfügung zu stellen. Je nach Anwendungsbereich und Belastungsprofil des gewünschten Faserverbundwerkstoffes werden die Faserbündel entweder direkt oder zu einem Gewebe oder Geflecht zusammengefasst weiterverarbeitet. Ein bevorzugter Anwendungsbereich ist dabei der Automobil- und/oder Flugzeug- und/oder Schiff- und/oder- Rotorblatt- und/oder- Anlagen- und/oder Maschinen- und/oder Leichtbau.For use in a fiber composite material, it is advantageous to provide the hybrid fibers bundled to form a fiber bundle. Depending on the area of application and the load profile of the desired fiber composite material, the fiber bundles are further processed either directly or combined into a fabric or braid. A preferred area of application is automobile and / or aircraft and / or ship and / or rotor blade and / or plant and / or machine and / or lightweight construction.

Die Hybridfasern lassen sich mit allen gängigen Herstellungsprozessen zu Faserverbundwerkstoffen, vorzugweise zu faserverstärkten Kunststoffen und/oder Textilbeton weiterverarbeiten.The hybrid fibers can be further processed into fiber composite materials, preferably into fiber-reinforced plastics and / or textile concrete, using all common manufacturing processes.

Für das o.g. Verfahren wird optional ein alternativer Verfahrensschritt b) vorgeschlagen, wobei für die Bereitstellung der Vielzahl von Kurzfasern Fasern verwendet werden, die aus einem unabhängigen, dem erfindungsgemäßen Verfahren vorangegangenen Recyclingprozess stammen. Damit sind recycelte Kurzfasern kostengünstig einem neuen Faserherstellungsprozess zustellbar und es entsteht ein geschlossener Materialkreislauf.An alternative method step b) is optionally proposed for the above-mentioned method, whereby fibers are used for the provision of the large number of short fibers which originate from an independent recycling process preceding the method according to the invention. This means that recycled short fibers can be delivered to a new fiber production process at low cost and a closed material cycle is created.

Durch den Aufbau der erfindungsgemäßen Hybridfaser sind neben den recycelten Kurzfasern vorzugsweise auch bereits zum Einsatz gekommene Hybridfasern für das erfindungsgemäße Verfahren bereitstellbar. Das Verfahren ist dadurch insbesondere nachhaltig und ressourceneffizient. Ein Recyclingprozess für die Hybridfasern aus einem Faserverbundwerkstoff ist dabei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorschaltbar, so dass auch hier ein geschlossener Materialkreislauf entsteht. Die aus dem Faserverbundwerkstoff gewonnenen Hybridfasern werden zunächst aufgeschmolzen, indem sie dem Schmelzofen beigefügt werden. Durch den Schmelzvorgang trennen sich Matrix und Kurzfasern voneinander. Im weiteren Verfahren werden aus den aufgeschmolzenen Komponenten, der Matrix und den Kurzfasern, neue Hybridfasern gezogen. Darin sind die Kurzfasern prozessbedingt weiterhin entlang der Faserrichtung orientiert. Da die bereits zum Einsatz gekommenen Hybridfasern komplett aufgeschmolzen und neu gezogen werden, sind keine mechanischen Beschädigungen der Metamatrix mehr vorhanden. Die neue Hybridfaser weist wieder die ursprünglichen Festigkeitswerte auf. Dies stellt eine vielversprechende Werkstoffinnovation dar. Gängige Recyclingverfahren führen bisher in der Regel zur Reduktion der Zugfestigkeit der Faser sowie zum Verlust der Faserorientierung.As a result of the structure of the hybrid fiber according to the invention, in addition to the recycled short fibers, hybrid fibers that have already been used can preferably also be provided for the method according to the invention. This makes the process particularly sustainable and resource-efficient. A recycling process for the hybrid fibers made of a fiber composite material can be connected upstream of the method according to the invention, so that a closed material cycle is created here as well. The hybrid fibers obtained from the fiber composite material are first melted by adding them to the melting furnace. During the melting process, the matrix and the short fibers separate from one another. In the further process, new hybrid fibers are drawn from the melted components, the matrix and the short fibers. Due to the process, the short fibers are still oriented along the fiber direction. Since the hybrid fibers that have already been used are completely melted and redrawn, there is no longer any mechanical damage to the metamatrix. The new hybrid fiber has its original strength values again. This represents a very promising material innovation. Conventional recycling processes have so far generally led to a reduction in the tensile strength of the fiber and a loss of fiber orientation.

Die Bereitstellung von bereits zum Einsatz gekommenen Hybridfasern an das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht deshalb ein Recycling anstelle eines bloßen Downcyclings und einen in sich geschlossenen Materialkreislauf. Insbesondere zeichnet sich das Verfahren durch Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit aus.The provision of hybrid fibers that have already been used for the method according to the invention therefore enables recycling instead of mere downcycling and a closed material cycle. In particular, the process is characterized by resource efficiency and sustainability.

Zur Lösung der Aufgabe wird ferner eine Verwendung der erfindungsgemäßen Hybridfaser in einem Faserverbundwerkstoff vorgeschlagen. Wie oben bereits genannt wird unter einem Faserverbundwerkstoff vorzugsweise ein faserverstärkter Kunststoff oder ein Textilbeton verstanden, der vorzugsweise Anwendung findet im Automobil- und/oder Flugzeug- und/oder Schiff- und/oder- Rotorblatt- und/oder- Anlagen- und/oder Maschinen- und/oder Leichtbau. Besonders bevorzugt liegt die Anwendung des Faserverbundwerkstoffs in den o.g. Beispielen in Bereichen, in denen Recyclingmaßnahmen für Faserverbundwerkstoffe getroffen werden.To achieve the object, use of the hybrid fiber according to the invention in a fiber composite material is also proposed. As already mentioned above, a fiber composite material is preferably understood to be a fiber-reinforced plastic or a textile concrete, which is preferably used in automobiles and / or aircraft and / or ships and / or rotor blades and / or systems and / or machines - and / or lightweight construction. The use of the fiber composite material in the above examples is particularly preferred in areas in which recycling measures are taken for fiber composite materials.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren im Folgenden näher erläutert. Die dargestellten Merkmale und deren Kombinationen sind nicht nur auf diese Ausführungsbeispiele und deren Ausgestaltungen begrenzt. Vielmehr sind diese stellvertretend für weitere mögliche, aber nicht explizit als Ausführungsbeispiele dargestellte weitere Ausgestaltungen kombinierbar. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridfaser,
2 a - d schematische Schnittdarstellungen von Faserverbundwerkstoffen verschiedener Ausgestaltungen zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen (Stand der Technik) und einem Faserverbundwerkstoff, der die erfindungsgemäßen Hybridfasern enthält, wobei 2 a einen Faserverbundwerkstoff zeigt, der durch unidirektionale monomateriale Endlosglasfasern verstärkt ist, und wobei 2 b einen Faserverbundwerkstoff zeigt, der durch unidirektionale Endloskohlenstofffasern verstärkt ist, und wobei 2 c einen Faserverbundwerkstoff zeigt, der durch Kohlenstoffkurzfasern mit Vorzugsrichtung verstärkt ist, und wobei 2 d einen Faserverbundwerkstoff zeigt, der durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridfaser verstärkt ist,
3 die graphische Darstellung des Elastizitätsmoduls einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridfaser in Abhängigkeit des Volumenanteils der Kurzfasern in der Hybridfaser, sowie im Vergleich dazu, den Wert des Elastizitätsmoduls einer herkömmmlichen Glasfaser mit gleichen Abmessungen,
4 die graphische Darstellung des Elastizitätsmoduls eines Faserverbundwerkstoffs, im Beispiel eines faserverstärkten Kunststoffes, der erfindungsgemäße Hybridfasern enthält, in Abhängigkeit des Volumenanteils der Hybridfasern, sowie im Vergleich dazu, die graphische Darstellung des Elastizitätsmoduls eines durch konventionelle Glasfasern Faserverbundwerkstoff in Abhängigkeit des Volumenanteils der Glasfasern, sowie
5 eine schematische Darstellung einer Apparatur zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

The invention is explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments with reference to the figures. The features shown and their combinations are not limited to these exemplary embodiments and their configurations. Rather, they can be combined to represent further possible, but not explicitly shown as exemplary embodiments, further configurations. Show it

1 a schematic representation of a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention,
2 a - d schematic sectional views of fiber composite materials of different configurations to illustrate the difference between conventional fiber composite materials (prior art) and a fiber composite material containing the hybrid fibers according to the invention, wherein 2 a shows a fiber composite material that is reinforced by unidirectional mono-material continuous glass fibers, and wherein 2 B shows a fiber composite material that is reinforced by unidirectional continuous carbon fibers, and wherein 2 c shows a fiber composite material that is reinforced by short carbon fibers with preferred direction, and wherein 2 d shows a fiber composite material that is reinforced by a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention,
3 the graphic representation of the modulus of elasticity of a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention as a function of the volume fraction of the short fibers in the hybrid fiber, as well as, in comparison, the value of the modulus of elasticity of a conventional glass fiber with the same dimensions,
4th the graphic representation of the modulus of elasticity of a fiber composite material, in the example of a fiber-reinforced plastic containing hybrid fibers according to the invention, as a function of the volume fraction of the hybrid fibers, as well as, in comparison, the graphic representation of the modulus of elasticity of a fiber composite material made from conventional glass fibers as a function of the volume fraction of the glass fibers, as well
5 a schematic representation of an apparatus for carrying out the method according to the invention.

Im Detail zeigt 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridfaser 1 zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffs. In die Metamatrix 2 der Hybridfaser 1 ist eine Vielzahl von Kurzfasern 3 eingebettet. Die Kurzfasern 3 weisen einen höheren Elastizitätsmoduln auf, als die Metamatrix 2 und sorgen für eine Erhöhung sowohl des Elasizitätsmoduls der Hybridfaser 1, als auch der Festigkeit der Hybridfaser 1. Die Struktur der Hybridfaser 1 ist homogen und weist keine herstellungsbedingten Lufteinschlüsse auf. Die in der Hybridfaser 1 enthaltenen Kurzfasern 3 sind wie zuvor erläutert axial zur Richtung der Hybridfaser 1 orientiert, d.h. die Orientierungsverteilung der Kurzfasern 3 in der Hybridfaser 1 weisen ein Maximum auf, das der axialen Ausrichtung der Hybridfaser 1 folgt, d.h. parallel zu dieser ausgerichtet ist. Dabei weisen im dargestellten Beispiel ein überwiegender Anteil, d.h. über 50% der erfassten Kurzfasern 3 eine Orientierung auf, die parallel zur Hybridfaser 1 und/oder von der Orientierung jener mit einem spitzen Winkel von maximal 10° abweicht. Sie sind an jeder Stelle der Hybridfaser 1 vollständig von der Metamatrix 2 umhüllt, so dass die Oberfläche der Hybridfaser 1 von der Metamatrix 2 gebildet wird.Shows in detail 1 a schematic representation of a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention 1 for the production of a fiber composite material. In the metamatrix 2 the hybrid fiber 1 is a variety of short fibers 3 embedded. The short fibers 3 have a higher modulus of elasticity than the metamatrix 2 and ensure an increase in both the modulus of elasticity of the hybrid fiber 1 , as well as the strength of the hybrid fiber 1 . The structure of the hybrid fiber 1 is homogeneous and has no air pockets due to the manufacturing process. The one in the hybrid fiber 1 contained short fibers 3 are, as previously explained, axial to the direction of the hybrid fiber 1 oriented, ie the orientation distribution of the short fibers 3 in the hybrid fiber 1 have a maximum, that of the axial alignment of the hybrid fiber 1 follows, ie is aligned parallel to this. In the example shown, a predominant proportion, ie over 50%, of the short fibers recorded 3 an orientation that is parallel to the hybrid fiber 1 and / or deviates from the orientation of that with an acute angle of a maximum of 10 °. They are at every point of the hybrid fiber 1 completely from the metamatrix 2 enveloped so that the surface of the hybrid fiber 1 from the metamatrix 2 is formed.

2 zeigt schematische Schnittdarstellungen von Faserverbundwerkstoffen verschiedener Ausgestaltungen zur Verdeutlichung des Unterschieds zwischen herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen und einem Faserverbundwerkstoff, der die erfindungsgemäßen Hybridfasern 1 enthält. Anhand dieser Figuren lässt sich ein Vergleich von herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen 4, 5, 6 (2 a, 2 b und 2 c, Stand der Technik) und einem Faserverbundwerkstoff 7 (2 d) , der die erfindungsgemäßen Hybridfasern 1 wie folgt herleiten. 2 shows schematic sectional views of fiber composite materials of different configurations to illustrate the difference between conventional fiber composite materials and a fiber composite material that contains the hybrid fibers according to the invention 1 contains. Using these figures, a comparison of conventional fiber composite materials can be made 4th , 5 , 6th ( 2 a , 2 B and 2 c , State of the art) and a fiber composite material 7th ( 2 d) , the hybrid fibers of the invention 1 derive as follows.

Bei dem in 2 a dargestellten Faserverbundwerkstoff handelt es sich um einen Glasfaserverstärkten Faserverbundwerkstoff 4, in dem Endlos-Glasfasern 9 die Faserverbundkomponente in voller Länge durchdringen. Darin sind in einer Polymermatrix 8 Endlos-Glasfasern 9 homogen und unidirektional zueinander angeordnet. 2 b zeigt einen Kohlenstofffaserverstärkten Faserverbundwerkstoff 5, in dem Endlos-Kohlenstofffasern 10 die Faserverbundkomponente in voller Länge durchdringen. Ähnlich wie in 2 a sind hier Endlos-Kohlenstofffasern 10 homogen und unidirektional zueinander in einer Polymermatrix 8 angeordnet. In 2 c ist beispielhaft ein kurz-kohlenstofffaserverstärkter Faserverbundwerkstoff 6 dargestellt. Hier sind Kurz-Kohlenstofffasern 11 in eine Polymermatrix 8 eingebettet. Die Kurz-Kohlenstofffasern 11 sind axial zur Faser orientiert. Die in 2 a - c dargestellten Fasern sind Monomaterialsysteme.The in 2 a The fiber composite material shown is a glass fiber reinforced fiber composite material 4th , in which continuous glass fibers 9 penetrate the fiber composite component in full length. Inside are in a polymer matrix 8th Endless glass fibers 9 arranged homogeneously and unidirectionally to one another. 2 B shows a carbon fiber reinforced fiber composite material 5 , in which continuous carbon fiber 10 penetrate the fiber composite component in full length. Similar to in 2 a are endless carbon fibers here 10 homogeneous and unidirectional to each other in a polymer matrix 8th arranged. In 2 c is an example of a short carbon fiber reinforced fiber composite material 6th shown. Here are short carbon fibers 11 in a polymer matrix 8th embedded. The short carbon fibers 11 are oriented axially to the fiber. In the 2 a - c The fibers shown are monomaterial systems.

Im Gegensatz dazu zeigt 2 d einen Hybridfaserverstärkten Faserverbundwerkstoff 7. Die Hybridfasern 1, die hier der Polymermatrix 8 beigefügt wurden, bestehen nicht nur aus einem Material, sondern weisen selbst eine Metamatrix 2 und darin eingebettete Kurzfasern 3 auf. Im gezeigten Fall handelt es sich um eine Hybridfaser 1 (vgl. 1), die aus einer Glasmatrix 11 und darin eingebetteten Kurz-Kohlenstofffasern 11 besteht. Die Hybridfasern 1 als solche sind homogen und unidirektional zueinander in der Polymermatrix 8 des Hybridfaserverstärkten Faserverbundwerkstoffs 7 angeordnet. Die Kurz-Kohlenstofffasern 11 sind in wie zuvor erläutert axial in Richtung der Hybridfaser 1 orientiert.In contrast shows 2 d a hybrid fiber-reinforced fiber composite material 7th . The hybrid fibers 1 that here the polymer matrix 8th are not only made of one material, but also have a metamatrix 2 and short fibers embedded therein 3 on. In the case shown, it is a hybrid fiber 1 (see. 1 ), those from a glass matrix 11 and short carbon fibers embedded therein 11 consists. The hybrid fibers 1 as such are homogeneous and unidirectional to one another in the polymer matrix 8th of the hybrid fiber reinforced fiber composite material 7th arranged. The short carbon fibers 11 are, as previously explained, axially in the direction of the hybrid fiber 1 oriented.

In 3 ist der Elastizitätsmodul E (GPa) einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridfaser in Abhängigkeit des Volumenanteils (-) der Kurzfasern in der Hybridfaser dargestellt. Die Berechnung des Elastizitätsmoduls erfolgte nach einer Mischungsregel, die auf dem Bowyer & Bader-Model [4] beruht. Die Hybridfaser weist hier eine Metamatrix aus Glas auf, sowie Kurzfasern aus Kohlenstoff, d.h. Kurz-Kohlenstofffasern. Im Vergleich dazu ist der Wert des Elastizitätsmoduls einer konventionellen Glasfaser, die keine Kurzfasern enthält, dargestellt. Er beträgt für die dargestellte Glassorte 70 GPa. Enthält die Hybridfaser keine Kurzfasern, entspricht sie der konventionellen Glasfaser. Ihr Elastizitätsmodul beträgt demnach ebenfalls 70 GPa. Mit steigendem Volumenanteil der Kurzfasern in der Hybridfaser nimmt der Elastizitätsmodul der Hybridfaser linear zu.In 3 the modulus of elasticity E (GPa) of a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention is shown as a function of the volume fraction (-) of the short fibers in the hybrid fiber. The modulus of elasticity was calculated using a mixing rule based on the Bowyer & Bader model [4]. The hybrid fiber here has a metamatrix made of glass, as well as short fibers made of carbon, ie short carbon fibers. In comparison, the value of the modulus of elasticity of a conventional glass fiber that does not contain short fibers is shown. For the type of glass shown, it is 70 GPa. If the hybrid fiber does not contain any short fibers, it corresponds to the conventional glass fiber. Their modulus of elasticity is accordingly also 70 GPa. As the volume fraction of the short fibers in the hybrid fiber increases, the modulus of elasticity of the hybrid fiber increases linearly.

4 zeigt den Elastizitätsmodul E (GPa) eines Polymers, das durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridfaser verstärkt wird, als Funktion des Volumenanteils dieser Hybridfasern in dem Polymer. Die bevorzugte Ausführungsform der Hybridfaser, die zur Verstärkung des Polymers verwendet wird, besteht aus Kurz-Kohlenstofffasern und einer Glasmatrix, wobei der Volumenanteil an Kurz-Kohlenstofffasern ca. 50 % beträgt. Im Vergleich dazu ist der Elastizitätsmodul eines Polymers dargestellt, das durch konventionelle monomateriale Glasfasern verstärkt ist. 4th shows the modulus of elasticity E (GPa) of a polymer which is reinforced by a preferred embodiment of the hybrid fiber according to the invention, as a function of the volume fraction of these hybrid fibers in the polymer. The preferred embodiment of the hybrid fiber, which is used to reinforce the polymer, consists of short carbon fibers and a glass matrix, the volume fraction of short carbon fibers being approx. 50%. In comparison, the modulus of elasticity of a polymer is shown that is reinforced by conventional mono-material glass fibers.

Mit steigendem Volumenanteil der verstärkenden Hybridfasern in dem Polymer nimmt der Elastizitätsmodul des hybridfaserverstärkten Polymers linear zu. Auch der Elastizitätsmodul des glasfaserverstärkten Polymers nimmt linear mit dem Volumenanteil der enthaltenen Glasfasern zu. Die Zunahme des Elastizitätsmoduls des hybridfaserverstärkten Polymers ist näherungsweise doppelt so hoch, wie die des glasfaserverstärkten Polymers. Dies liegt daran, dass der Elastizitätsmodul der verstärkenden Hybridfasern aufgrund der in der Hybridfaser selbst enthaltenen Kurzfasern höher ist, als der der konventionellen monomaterialen Glasfasern, die keine zusätzlichen Kurzfasern als Verstärkungsfasern enthalten.As the volume fraction of the reinforcing hybrid fibers in the polymer increases, the modulus of elasticity of the hybrid fiber-reinforced polymer increases linearly. The modulus of elasticity of the glass fiber reinforced polymer also increases linearly with the volume fraction of the glass fibers contained. The increase in the modulus of elasticity of the hybrid fiber reinforced polymer is approximately twice as high as that of the glass fiber reinforced polymer. This is because the modulus of elasticity of the reinforcing hybrid fibers, due to the short fibers contained in the hybrid fiber itself, is higher than that of the conventional monomaterial glass fibers, which do not contain any additional short fibers as reinforcing fibers.

Über die Geometrie eines Bauteils ist es möglich, aus dem Elastizitätsmodul eine Steifigkeit, d.h. den Widerstand des Bauteils gegenüber einer Verformung durch eine Kraft oder ein Moment zu errechnen. Bei gleicher Bauteilgeometrie ist aus der gezeigten Darstellung ersichtlich, dass ein Bauteil aus einem hybridfaserverstärkten Polymer eine höhere Steifigkeit aufweist, als ein Bauteil, das aus einem konventionellen, glasfaserverstärkten Polymer gefertigt ist.Using the geometry of a component, it is possible to calculate a stiffness, i.e. the resistance of the component to deformation caused by a force or a moment, from the modulus of elasticity. With the same component geometry, it can be seen from the illustration shown that a component made from a hybrid fiber-reinforced polymer has a higher rigidity than a component made from a conventional, glass fiber-reinforced polymer.

In 5 ist schematisch eine einer beispielhaften Apparatur zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Sie weist einen Schmelzofen 13 auf, an dessen Unterseite Ziehdüsen 15 angebracht sind. In dem Schmelzofen 13 befindet sich eine homogene Schmelze 14 aus Metamatrixmaterial 2, Zuschlagstoffen 16 und Kurzfasern 3. Eine Einrichtung zur Bereitstellung des Metamatrixmaterials 2, der Zuschlagstoffe 16 und der Kurzfasern 3 sowie zur Durchmischung der Schmelze 14 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Über Ziehdüsen 15 an der Unterseite des Schmelzofens 13 und einer Spindel 17 zur Aufbringung eines Zuges sind einzelne Rohfasern 18 aus der Schmelze 14 ziehbar und verstreckbar. Der Durchmesser der Rohfasern 18 sinkt während des Ziehverfahrens durch die über die Spindel 17 hervorgerufene Verstreckung kontinuierlich ab. Eine Einrichtung zur Einstellung des Durchmessers der Hybridfasern 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Rohfasern 18 erkalten während der Verstreckung und bilden die erfindungsgemäßen Hybridfasern 1. Diese werden auf die Spindel 17 gebündelt und aufgewickelt und an eine Transortspindel 19 weitergegeben. Hier stehen sie zur Weiterverarbeitung 20 in einem Faserverbundwerkstoff bereit.In 5 is shown schematically one of an exemplary apparatus for carrying out the method according to the invention. She has a melting furnace 13th on the underside of which there are drawing nozzles 15th are appropriate. In the furnace 13th there is a homogeneous melt 14th made of metamatrix material 2 , Aggregates 16 and short fibers 3 . A facility for providing the metamatrix material 2 , the aggregates 16 and the short fibers 3 as well as for mixing the melt 14th is not shown for reasons of clarity. About drawing nozzles 15th at the bottom of the furnace 13th and a spindle 17th to apply a train are individual raw fibers 18th from the melt 14th drawable and stretchable. The diameter of the raw fiber 18th drops during the drawing process through the over the spindle 17th induced stretching continuously. A device for adjusting the diameter of the hybrid fibers 1 is not shown for reasons of clarity. The raw fibers 18th cool during the drawing and form the hybrid fibers according to the invention 1 . These are on the spindle 17th bundled and wound up and attached to a transport spindle 19th passed on. Here they are available for further processing 20th ready in a fiber composite material.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: HybridfaserHybrid fiber
22: MetamatrixMetamatrix
33: KurzfaserShort fiber
44th: Endlos-Glasfaserverstärkter FaserverbundwerkstoffEndless fiberglass-reinforced fiber composite material
55: Endlos-Kohlenstofffaserverstärkter FaserverbundwerkstoffEndless carbon fiber reinforced fiber composite material
66th: Kurz-Kohlenstofffaserverstärkter FaserverbundwerkstoffShort carbon fiber reinforced fiber composite
77th: Hybridfaserverstärkter FaserverbundwerkstoffHybrid fiber reinforced fiber composite material
88th: PolymermatrixPolymer matrix
99: Endlos-GlasfaserEndless fiberglass
1010: Endlos-KohlenstofffaserEndless carbon fiber
1111: Kurz-KohlenstofffaserShort carbon fiber
1212th: GlasmatrixGlass matrix
1313th: SchmelzofenMelting furnace
1414th: Schmelze (Metamatrix in flüssiger Phase)Melt (metamatrix in liquid phase)
1515th: ZiehdüsenDrawing nozzles
1616: ZuschlagstoffeAggregates
1717th: Spindelspindle
1818th: RohfaserCrude fiber
1919th: TransportspindelTransport spindle
2020th: WeiterverarbeitungFurther processing

Literaturliterature

[1] K. M. Prewo, Fiber reinforced glasses and glass ceramics, Glasses and Glass-Ceramics, In: Lewis M.H. (eds.) Glasses and Glass-Ceramics, Springer, Dordrecht, DOI https://doi.org/10.1007/978-94-009-0817-8_10
[2] H. Richter, Hybrid composite materials with directed short fibers, Kunststoffe, 67 (1977) 739
[3] CN 109385906 A
[4] WH Bowyer and MG Bader, On the re-inforcement of thermoplastics by imperfectly aligned discontinuous fibers Journal of Materials Science, 7 (1972) 1315-1321

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

CN 109385906 A [0064]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

W. H. Bowyer and M. G. Bader, On the re-information of thermoplastics by imperfectly aligned discontinuous fibers Journal of Materials Science, 7 (1972) [0064]

Claims

Hybrid fiber (1) for the production of fiber composite materials, comprising a) a metamatrix (2), b) a plurality of short fibers (3), the plurality of short fibers (3) being embedded in the metamatrix (2) and each having an orientation therein, c) the short fibers (3) have a higher modulus of elasticity than the metamatrix (2).

Hybrid fiber (1) according to Claim 1 , characterized in that a) only the short fibers (3) and the metamatrix (2) form the hybrid fiber (1), which has a solids density of over 99.5%.

Hybrid fiber (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that a) the orientations of the short fibers (3) have a preferred direction axially to the hybrid fiber (1).

Hybrid fiber (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a) the short fibers (3) are completely enveloped by the metamatrix (2).

Hybrid fiber (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a) the metamatrix (2) consists of a glass or a basalt or a material containing glass and / or basalt.

Hybrid fiber (1) according to one of the preceding claims, characterized in that b) the short fibers (3) consist of a carbon and / or a ceramic.

Hybrid fiber (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a) the metamatrix (2) has a diameter between 10 µm to 500 µm, and / or b) the short fibers (3) have a diameter between 1 µm to 50 µm , the diameter of the hybrid fiber (1) being greater than the diameter of the short fibers and / or c) the short fibers (3) having a length between 0.01 mm and 10 mm.

Fiber bundle comprising at least two hybrid fibers (1) according to one of the preceding claims.

Fiber composite material comprising at least one hybrid fiber (1) according to one of the aforementioned Claims 1 until 7th .

Method for producing hybrid fibers (1) according to one of the preceding claims, comprising the following method steps: a) Provision of a melting furnace (13) with drawing nozzles (15), b) Provision of a metamatrix material and aggregates as well as a large number of short fibers (3), c) Filling and melting the metamatrix material and the additives (16) in the melting furnace (13) to form a melt (14), d) adding short fibers (3) to the melt (14), e) thorough mixing of the melt (14) in the melting furnace (13), the short fibers (3) being distributed in the melt (14), f) drawing hybrid fibers (1) from the melt (14) with the short fibers (3) from the drawing nozzles (15) of the melting furnace (13), g) stretching of the hybrid fibers (1) after exiting the drawing nozzles (15), the short fibers (3) in the metamatrix (2) being axially reoriented to the hybrid fiber (1) and the diameter of the hybrid fiber (1) being established.

Procedure according to Claim 10 , comprising an additional process step h) applying a size to the hybrid fibers (1).

Procedure according to Claim 11 , comprising an additional process step i) bundling the hybrid fibers (1) to form a fiber bundle.

Procedure according to Claim 10 , wherein short fibers (3) are provided for process step b) which originate from a recycling process.

Use of a hybrid fiber according to one of the aforementioned Claims 1 until 7th in a fiber composite material.