DE112010001245T5 - Metallmatrix-verbundstoffe und metallischeverbundstoffschäume mit in situ erzeugtenkohlenstoffhaltigen faserigen verstärkungen - Google Patents

Metallmatrix-verbundstoffe und metallischeverbundstoffschäume mit in situ erzeugtenkohlenstoffhaltigen faserigen verstärkungen Download PDF

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Abstract

Eine beispielhafte Ausführungsform offenbart ein thermogeformtes, auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhendes Material, das eine Matrix aus gesinterten Metallpartikeln, die zumindest eines von einem Metall und einer Metalllegierung umfassen; und Kohlefasern in der Matrix umfasst, die eine Orientierung und Form aufweisen, die von einer Vorläufer-Fasermatte abgeleitet sind.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, das diese Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Metallverbundstoffmaterialien, die kohleverstärkte Metallverbundstoffmaterialien umfassen, und spezieller thermogeformte Metallmatrix-Verbundstoffe oder metallische Verbundstoffmaterialien mit orientierter Faserverstärkung für Konstruktionsanwendungen.
  • HINTERGRUND
  • Der Eigenschaftsanspruch in Kohlefaserverstärkungen wird in dem einwandigen Kohlenstoffnanoröhren mit Modulen bis zu 1000 GPa erreicht. Jedoch sind derartige Steifigkeitsgrade in Verbundstoff-Konstruktionsmaterialien, die kohlefaserverstärkte Metallmatrix-Verbundstoff Konstruktionsmaterialien umfassen, nicht immer erforderlich. Zusätzlich ist die Anwendbarkeit von Kohlenstoffnanoröhren für weit reichende konstruktive Anwendungen, insbesondere zum allgemeinen Gebrauch im Kraftfahrzeugsegment, durch deren hohe Kosten und begrenzte Verfügbarkeit stark eingeschränkt. Die relativ hohen Kosten von Kohlefasern liegen primär aufgrund der damit einhergehenden Verarbeitungsbedingungen vor, die die Oxidation eines Vorläuferpolymers, wie etwa Pech oder Poly (z. B. Acrylnitril), in einer inerten Umgebung bei sehr hohen Temperaturen umfassen.
  • Metallmatrix-Verbundstofffertigung umfasst im Allgemeinen die unterschiedlichen Schritte einer Verfestigung von Metall und den Verstärkungen, wie etwa Kohlefaser, gefolgt von der Produktion des Verbundstoffteils. In Arbeitsgängen, die das Gießen der Metallschmelze, die mit Kohlefaserverstärkungen vermischt ist, mit sich bringen, ist es sehr schwierig, die Gerichtetheit der Orientierung der Faserverstärkungen genau zu steuern.
  • Ein Vorteil, der durch eine Verarbeitung auf Pulvermetallbasis geboten wird, ist, dass die Schritte, die eine Verfestigung des Metalls und der Verstärkungen mit sich bringen, sowie das Bilden der Teile gemeinsam bewerkstelligt werden können. Auch im letzteren Prozess ist es schwierig, die Gerichtetheit aufrechtzuerhalten.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein auf Pulvermetallurgie beruhendes, thermogeformtes Verbundstoffmaterial vorgesehen, das eine Matrix aus gesinterten Metallpartikeln, die ein Metall und/oder eine Metalllegierung umfassen; und Kohlefasern in der Matrix umfasst, die eine Orientierung und Form aufweisen, die von einer Vorläufer-Fasermatte abgeleitet sind.
  • In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen eines auf Pulvermetallurgie beruhenden, thermogeformten Verbundstoffmaterials vorgesehen, das umfasst, dass eine Matrix aus Metallpartikeln vorgesehen wird, die zumindest einen Typ von Metallpartikeln umfassen, wobei die Metallpartikeln auf und zumindest teilweise um eine Fasermatte herum getragen sind, die eine erste Orientierung und Form aufweist, wobei die Fasermatte mehrere Schichten aus Fasern enthaltendem organischem Polymer umfasst; und die Anordnung aus den Metallpartikeln und der Fasermatte einem Thermoformungsprozess bei einer Temperatur derart unterzogen wird, dass die Metallpartikel sintern, und die Fasermatte zumindest teilweise carbonisiert, um Kohlefasern zu bilden, die eine zweite Orientierung und Form aufweisen, die von der ersten Orientierung und Form abgeleitet sind, um ein Metallmatrix-Verbundstoffteil zu erhalten.
  • In einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist ein auf Verbundstoff Pulvermetallurgie beruhendes Vorläufermaterial zum Bilden eines thermogeformten Teils daraus vorgesehen, das eine Vorläufermatrix aus Metallpartikeln, die zumindest ein Metall umfassen; und eine Fasermatte innerhalb der Matrix umfasst, wobei die Fasermatte mehrere Schichten aus Fasern enthaltendem organischem Polymer umfasst, wobei die Fasermatte eine vorbestimmte Orientierung aufweist und die Metallpartikel an der Fasermatte haften.
  • Weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachstehend angegebenen ausführlichen Beschreibung deutlich werden. Es ist zu verstehen, dass die ausführliche Beschreibung und die besonderen Beispiele, obgleich sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, lediglich zu Veranschaulichungszwecken dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen umfassender verstanden werden, wobei:
  • 1A–1D beispielhafte Schritte beim Bilden eines beispielhaften, thermogeformten, auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhenden Teils gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 2A–2D beispielhafte Schritte beim Bilden einer beispielhaften, thermogeformten, auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhenden Vorläuferanordnung zum Bilden eines thermogeformten Teils daraus gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 3 einen beispielhaften Prozessablauf gemäß in den 2A–2D gezeigten Ausführungsformen zeigt;
  • 4A–4C beispielhafte Schritte beim Thermoformen eines beispielhaften auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhenden Teils gemäß einer Ausführungsform zeigen;
  • 5 einen beispielhaften Prozessablauf gemäß in 4A–4C gezeigten Ausführungsformen zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter (veranschaulichender) Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Nutzungen in keiner Weise einschränken.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Verbundstoff-Vorformlinganordnung, die aus Fasermatte und Pulvermetall zusammengesetzt ist, gebildet werden, indem ein oder mehrere Metallpulver auf einem Substrat aufgebaut wird/werden; das ein organisches Polymer oder mehrere organische Polymere umfasst, das/die (Kohlefaservorläufer) Fasermattenschichten enthält/enthalten. Die Verbundstoff-Vorformlinganordnung kann dann einem Thermoformen bei Temperaturen, die ausreichen, um das Metallpulver zu sintern, z. B. oberhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers unterzogen werden. Die Verbundstoff-Vorformlinganordnung kann durch herkömmliche Prozesse thermogeformt werden, die umfassen, dass gleichzeitig mechanischer Druck und Wärme (z. B. Heißpressen) auf die Verbundstoff-Vorformlinganordnung angewandt werden – die Metallpartikel gesintert werden, sowie Kohlefasern aus den Fasermattenschichten gebildet werden – während sie zu einem Metallmatrix-Verbundstoffteil geformt wird. Das thermogeformte Verbundstoffteil umfasst dadurch ein kohlefaserverstärktes Metallteil, bei dem die Kohlefasern eine vorbestimmte bevorzugte Orientierung (Gerichtetheit) aufweisen können, die z. B. im Wesentlichen gleich ist oder abgeleitet ist von den Fasermatteschichten.
  • In manchen Ausführungsformen kann das thermogeformte Verbundstoff-Metallteil eine Dicke von etwa 0,5 mm bis etwa 500 mm aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann das thermogeformte Verbundstoff-Metallteil ein Konstruktionsmetallteil sein, z. B. ein Teil eines herkömmlichen Brennkraftmaschinen-, Elektro- und Hybridkraftfahrzeugs.
  • In manchen Ausführungsformen kann der Thermoformungsprozess umfassen, dass die Verbundstoff-Vorformlinganordnung gleichzeitig angewandten mechanischen Druck und Erwärmung bei einer Temperatur oberhalb eines Schmelzpunktes von zumindest manchen von den Metallpulvern unterzogen wird, so dass ein Sintern der Metallpartikel stattfindet, und zumindest ein Abschnitt der Fasermatte carbonisiert, um Kohlefaserabschnitte zu bilden.
  • Es ist festzustellen, dass herkömmliche Thermoformungs- oder Heißpressprozesse verwendet werden können, die einschließen, dass die Wärme über ein Gesenk oder ein anderes Werkzeug angewandt wird, wobei dieser angewandte mechanische Druck- und/oder Erwärmung durch äußere Quellen, wie etwa durch herkömmliche Konvektions- und/oder Bestrahlungsheizöfen und/oder Heizquellen mit elektromagnetischer Energie aufgebracht werden kann.
  • In einer Ausführungsform kann während des Erwärmens bei Thermoformungstemperaturen und/oder während des Thermoformungsprozesses das Metallpulver in der Verbundstoff-Vorformlinganordnung schmelzen und sich um die Fasermatte sowie optionale zusätzliche organische und/oder anorganische Füllstoffe und/oder Verstärkungsmaterial herum verfestigen (Sinterprozess), während Fasern in der Fasermatte carbonisieren, um Kohlefasern zu bilden, die im Wesentlichen die gleiche Gerichtetheit (Orientierung) wie die Fasermatte aufweisen. Somit können Kohlefasern in situ gebildet werden, wobei die Energie für die Carbonisierung dieser Vorläufer durch die Energie bereitgestellt wird, die vom Schmelzen des Metall- und/oder Metalllegierungspulvers abgeleitet wird.
  • Es ist festzustellen, dass in manchen Ausführungsformen die Kohlefasern kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Kohlefasern umfassen können, da die Carbonisierung des Kohlefaser-Vorläufermaterials zusammen mit einem Thermoformungsprozess zu Diskontinuität der resultierenden Kohlefasern führen kann oder nicht. Es ist festzustellen, dass in manchen Ausführungsformen der Thermoformungsprozess der Verbundstoff-Vorformlinganordnung eine unterschiedliche Form verleihen kann, und dass deshalb manche der resultierenden Kohlefasern eine Orientierung aufweisen können, die nicht die gleiche wie die der Fasermattenschichten ist, aber davon abgeleitet ist, um eine zweite bevorzugte Orientierung zu bilden.
  • In einer anderen Ausführungsform kann die Substratfasermatte, die den Kohlefaser-Vorläufer enthält, einem Warmbehandlungsprozess bei einer ersten Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls unterzogen werden, um die Kohlefaser-Vorläufer in der Substratfasermatte innerhalb der Verbundstoff-Vorformlinganordnung (mit Pulvermetall und optional Füllstoff und/oder Verstärkungsmaterial) vor einem Thermoformungsprozess zu oxidieren und/oder zu stabilisieren. Zum Beispiel kann das Oxidations-/Stabilisierungs-Warmbehandeln unterhalb einer Zersetzungstemperatur (Carbonisierungstemperatur) der Kohlefaser-Vorläufer in der Substratfasermatte vor dem Erwärmen auf eine Thermoformungstemperatur stattfinden.
  • In einer Ausführungsform kann das Metall- und/oder Metalllegierungspulver einen Schmelzpunkt oberhalb von 300°C (um die Carbonisierung von Kohlefaser-Vorläufern zu erleichtern), vorzugsweise von etwa 300°C bis etwa 950°C, stärker bevorzugt von etwa 400–700°C aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die Verbundstoff-Vorformlinganordnung einem Thermoformen knapp oberhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers unterzogen werden, z. B. von etwa 1 Grad bis etwa 150 Grad Celsius oberhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Metall- und/oder Metalllegierungspulver irgendein Metall oder irgendeine Kombination aus Pulvermetallen umfassen, die herkömmlichen Pulvermetallurgieprozessen unterzogen werden können, um Metall enthaltende Teile zu bilden, was Thermoformen oder Heißpressen umfasst. In einer Ausführungsform umfasst das Metall- und/oder Metalllegierungspulver Aluminium. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Metall- und/oder Metalllegierungspulver Magnesium.
  • In anderen Ausführungsformen kann das Metall- und/oder Metalllegierungspulver eine Vielfalt von Partikelgrößen abhängig von dem Metallpulver und der gewünschten Thermoformungstemperatut (Sintertemperatur) und Sintergeschwindigkeit aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann das Metallpulver eine primäre und/oder agglomerierte Partikelgröße im Bereich von etwa 20 nm bis etwa 100 Mikron aufweisen, wie durch herkömmliche Prozesse gemessen, die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und/oder Gasadsorption umfassen.
  • Es ist festzustellen, dass der Prozess des Erwärmens der Verbundstoff-Vorformlinganordnung auf eine Oxidations-/Stabilisierungstemperatur und anschließend auf eine Thermoformungstemperatur als Rampenanstieg der Temperatur bewerkstelligt werden kann, wobei die Warmbehandlung bei ausgewählten konstanten Zwischentemperaturen erfolgen kann oder als eine kontinuierliche Temperaturrampe (Zunahme) bewerkstelligt werden kann. Wie es zuvor angeführt wurde, kann der Thermoformungsprozess irgendeine Kombination von Wärmequellen umfassen, die vor und/oder während der Anwendung mechanischen Drucks auf die Verbundstoff-Vorformlinganordnung auf eine Temperatur oberhalb eines Schmelzpunktes von zumindest einem der Metallpulver angewandt wird, um das Sintern der Metallpartikel einzuleiten.
  • In einer Ausführungsform kann die Verbundstoff-Vorformlinganordnung (das Laminat) Pulvermetall zusätzlich zu optionalem Material, wie etwa zusätzlichen Fasern und/oder Kohlefaservorläufer und/oder Partikelmaterial, umfassen, das dazu dienen kann, eine zusätzliche Verstärkung in einem thermogeformten Teil vorzusehen. In manchen Ausführungsformen können zum Beispiel die zusätzlichen Fasern oder Partikelmaterialien irgendein organisches oder anorganisches Material sein, das anorganische Carbide, Metalle, Metalloxide und/oder vorgeformte Kohlefasern umfasst.
  • Die Verbundstoff-Vorformlinganordnung (das Laminat) kann auch zusätzliche optionale funktionelle Materialien umfassen, wie etwa organisches und/oder anorganisches Füllstoffmaterial, sowie Adhäsion bildendes (Klebe-)Material, wie etwa einen elastomeren Klebstoff. Das zusätzliche optionale Material kann eine Hauptgröße (z. B. Durchmesser, Länge) aufweisen, die im Bereich der Größenordnung von Nanometern (Nano) oder in der Größenordnung von Mikron (Mikro) liegt. Es ist festzustellen, dass das zusätzliche Verstärkungsmaterial aus einzelnen Fasern und/oder Partikelmaterial und/oder Agglomeraten aus einzelnen Fasern und/oder Partikelmaterial gebildet sein kann.
  • In einer anderen Ausführungsform kann das Fasermattensubstrat eine zufällige Faseranordnung aufweisen, wie etwa eine Zufalls-Webung, oder kann mit einer vorbestimmten Fasergerichtetheit (Orientierung) angeordnet sein, wie etwa eine Diagonalwebung, usw. (Weborientierung) aufweisen.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst die Fasermatte das Kohlefaser-Vorläufermaterial in Mikro- oder Nanogröße (z. B. Faserdurchmesser), das zellulosehaltig (Zellulose enthaltendes Material) sein kann, wie etwa Rayon, und/oder anderes organisches Polymermaterial, das einer Carbonisierung bei Thermoformungstemperaturen unterzogen wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Fasermatte, die Kohlefaser-Vorläufermaterial umfasst, Pechfaser oder Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern) umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann das organische Füllstoffmaterial und/oder zusätzliche Verstärkungsmaterial das oben erwähnte Kohlefaser-Vorläufermaterial umfassen.
  • In einer anderen Ausführungsform wird die Verbundstoff Vorformlinganordnung dem Thermoformen in Anwesenheit eines Unterdrucks unterzogen. In manchen Ausführungsformen kann der Unterdruck im Bereich von weniger als Umgebungsdruck (< 760 Torr) bis Unterdrücke in der Größenordnung von 10–9 Torr, stärker bevorzugt von etwa 10–1 Torr bis etwa 10–5 Torr liegen. In manchen Ausführungsformen können die Oxidations-/Stabilisierungs- und/oder Thermoformungsschritte in einer oxidierenden Atmosphäre, z. B. in Anwesenheit von Sauerstoff enthaltenden Gasen, stattfinden. In anderen Ausführungsformen können die Thermoformungsschritte in einer Inertgas enthaltenden Atmosphäre stattfinden. In anderen Ausführungsformen können die Thermoformungsschritte in einer im Wesentlichen nicht oxidierenden Atmosphäre stattfinden.
  • In einer anderen Ausführungsform kann das Erwärmen der Verbundstoff-Vorformlinganordnung bei Thermoformungstemperaturen zu gasförmigen Nebenprodukten führen (z. B. Kohlenstoff enthaltenden Gasen oder Wasserstoff enthaltenden Gasen), die zumindest teilweise entfernt werden (z. B. unter Unterdruck herausgepumpt werden) kann. Zum Beispiel können die gasförmigen Nebenprodukte von einem oder mehreren der Fasermatte (z. B. Carbonisierung der Fasermatte), dem optionalen zusätzlichen Verstärkungsmaterial und/oder dem optionalen Füllstoffmaterial ausgehen. In einer anderen Ausführungsform kann zugelassen werden, dass die gasförmigen Nebenprodukte zumindest teilweise in dem Metall verbleiben (z. B. durch Steuerung des Thermoformungsprozesses, wie etwa der Temperatur und/oder des Umgebungsdrucks und/oder Anwendung mechanischen Drucks), um eine geschäumte Metallmikrostruktur zu schaffen, die eine zelluläre und/oder poröse Struktur aufweisen kann (z. B. verbundene und/oder isolierte Zellen), um ein thermogeformtes Teil zu bilden, das eine geformte oder nicht geformte Film- oder Bahnstruktur umfasst.
  • Es ist festzustellen, dass die optimalen Parameter, die die Temperatur und den Druck des Thermoformungsprozesses umfassen, um eine optimal gesinterte (und optional geschäumte) Mikrostruktur zu erhalten, von einer Vielfalt von Faktoren abhängen können, die den Typ und Partikelgrößen des Metalls und/oder der Metalllegierung, den Typ von Kohlefaser-Vorläufermaterial, die Menge und Rate von abgegebenem gasförmigem Nebenprodukt, Thermoformungsprozessparameter, wie etwa die Wärmequelle, den Typ von Werkzeug und das Niveau von mechanischem Druck, das auf das Gesenk ausgeübt wird, umfassen.
  • In einer Ausführungsform kann das Pulvermetall, das optionales zusätzliches Material, wie etwa Verstärkungspartikel/-fasern und/oder Adhäsionsmaterial, wie etwa elastomeren Klebstoff, umfasst, um die Anhaftung der Fasermatte zu verbessern, separat auf der Fasermatte in Kontakt gebracht werden, oder es kann zusammen mit dem Pulvermetall vermischt werden, bevor es auf der Fasermatte in Kontakt gebracht wird.
  • In manchen Ausführungsformen kann das Pulvermetall, das das optionale zusätzliche Material umfasst, auf der Fasermatte in Kontakt gebracht werden, indem das Pulvermetall und/oder das optionale zusätzliche Material auf die Fasermatte gebürstet und/oder gesprüht wird/werden.
  • Zum Beispiel in einem beispielhaften Prozess unter Bezugnahme auf die 1A (Draufsicht und vergrößerte Ansicht) und 1B (Seitenansicht) wird ein Fasermattensubstrat 12A vorgesehen. Zum Beispiel kann, wie es gezeigt ist, in einer Ausführungsform die Fasermatte 12A ein Webmuster umfassen, das zwei Hauptlängsfaserorientierungen (z. B. A und B) umfasst, wobei ein Winkel (z. B. Theta) zwischen den zwei Hauptlängen bis zu etwa 90 Grad betragen kann. In anderen Ausführungsformen kann der Winkel zwischen den zwei Hauptlängen von etwa 10 bis etwa 90 Grad liegen. Unter Bezugnahme auf 1C wird/werden ein oder mehrere Pulvermetalle 14A, die optionales zusätzliches Verstärkungsmaterial und Füllstoffe gemäß Ausführungsformen umfassen, auf dem Fasermattensubstrat 12A in Kontakt gebracht, um eine Verbundstoff-Mattenschicht L1 zu bilden. Die Verbundstoff-Mattenschicht kann dann auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der eine Stabilisierung und/oder Oxidation stattfinden kann. Die Stabilisierung und/oder Oxidation kann/können unterhalb einer Zersetzungstemperatur der Fasermatte sowie unterhalb des Schmelzpunktes des einen oder der mehreren Pulvermetalle erfolgen.
  • Unter Bezugnahme auf 1D können ein anderes stabilisiertes und/oder oxidiertes Fasermattensubstrat 12B und Pulvermetalle 14B, die eine Verbundstoff-Mattenschicht L2 ähnlich der Verbundstoff-Fasermattenschicht L1 bilden, auf der Verbundstoff-Fasermattenschicht L1 gebildet werden. Der Prozess kann wiederholt werden, um eine mehrschichtige Verbundstoff-Vorformlinganordnung zu bilden, um anschließend ein Metallmatrix-Verbundstoffteil mit einer gewünschten Dicke zu bilden. In anderen Ausführungsformen können zunächst die jeweiligen Schichten gebildet, gestapelt und anschließend auf eine Stabilisierungstemperatur erwärmt werden, bei der optional eine Oxidation der Fasermatten stattfinden kann. Zum Beispiel kann in manchen Ausführungsformen die Zahl von Schichten von etwa 1 bis etwa 1000 liegen, um eine gewünschte Vorläufermaterialdicke zu bilden und somit anschließend eine gewünschte Metallmatrix-Verbundstoffteildicke zu bilden.
  • Unter Bezugnahme auf die 2A–2D in Verbindung mit den Prozessschritten in 3 ist eine andere beispielhafte Ausführungsform gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf die 2A und Schritt 301 wird gemäß Ausführungsformen z. B. ein Fasermattensubstrat 12A vorgesehen. Unter Bezugnahme auf 2B und Schritt 303 wird/werden ein oder mehrere Pulvermetalle, die gemäß Ausführungsformen optionales zusätzliches Verstärkungsmaterial und Füllstoffe umfassen, z. B. auf dem Fasermattensubstrat 12A in Kontakt gebracht, um eine Verbundstoff-Mattenschicht L1 zu bilden. Unter Bezugnahme auf 2C und Schritt 305 kann dann die Verbundstoff-Mattenschicht L1 auf eine Stabilisierungs- und/oder Oxidationstemperatur unterhalb des Schmelzpunktes des einen oder der mehreren Pulvermetalle erwärmt werden. Unter Bezugnahme auf 2D und Schritt 307 können die Schritte 301–305 (2A–2C) wiederholt werden, um eine mehrschichtige Verbundstoff-Vorformlinganordnung (z. B. gestapelte Verbundstoff-Mattenschichten L1, L2, L3, L4) zu bilden.
  • Unter Bezugnahme auf die 4A–4C in Verbindung mit 5 sind Prozessschritte gemäß beispielhaften Ausführungsformen gezeigt. Unter Bezugnahme auf 4A und Schritt 501 wird/werden z. B. eine oder mehrere Verbundstoff-Mattenschichten oder eine Verbundstoff-Vorformlinganordnung (ein Laminat) 16 vorgesehen, wobei dem in 3 umrissenen Prozess gefolgt wird. In Schritt 503 kann dann die Verbundstoff-Vorformlinganordnung 16 gemäß Ausführungsformen auf eine Thermoformungstemperatur (vor oder während des Thermoformens) z. B. oberhalb des Schmelzpunktes des Pulvermetalls in der Verbundstoff-Vorformlinganordnung 16 erwärmt werden. Unter Bezugnahme auf 4B und Schritt 505 kann dann die Verbundstoff-Vorformlinganordnung z. B. einem Thermoformungsprozess unterzogen werden, indem mechanischer Druck auf die Verbundstoff-Vorformlinganordnung 16 z. B. durch ein Formgebungswerkzeug, z. B. 20A, 20B, aufgebracht wird, um z. B. die Verbundstoff-Vorformlinganordnung 16 z. B. zu einem Metallmatrix-Verbundstoffteil 18 zu formen, das Kohlefasern umfasst, die eine vorbestimmte gerichtete Orientierung aufweisen, die von der Fasermattenorientierung abgeleitet ist. Zum Beispiel kann zumindest ein Abschnitt des Metallmatrix-Verbundstoffteils eine Kohlefaserorientierung aufweisen, die im Wesentlichen gleiche wie die Mattenfaserorientierung ist.
  • Es ist festzustellen, dass die Kohlefasern vor dem Ausüben des Werkzeugdrucks oder während des Ausübens des Gesenkdrucks vollständig oder teilweise gebildet werden können. Unter Bezugnahme auf 4C und Schritt 507 kann anschließend das thermogeformte Metallmatrix-Verbundstoffteil (z. B. Kraftfahrzeugteil) entweder vor oder im Anschluss an das Wegnehmen des Gesenkdrucks abgekühlt werden, um ein gerichtetes orientiertes kohlefaserverstärktes Metallmatrix-Verbundstoffteil zu bilden. Zusätzlich kann das Metallmatrix-Verbundstoffteil, wie es oben gemäß Ausführungsformen angeführt wurde, ein geschäumtes Metallteil sein, das durch Einfangen durch den Carbonisierungs- und/oder Thermoformungsprozess entwickelter Gase gebildet wurde, um eine isolierte und/oder verbundene zelluläre Mikrostruktur einzuschließen.
  • In manchen Ausführungsformen können im Anschluss an den Thermoformungsprozess Abschnitte des Metallmatrix-Verbundstoffteils, die in Bahnform vorliegen, z. B. im Wesentlichen ohne Krümmung, eine Orientierung der Kohlefasern (mit Bezug zueinander) aufweisen, die im Wesentlichen gleich wie die der Vorläufer-Fasermatte ist. In manchen Ausführungsformen kann, während sich die Form des Metallmatrix-Verbundstoffteils ändern kann, das Gesamtmuster und die Gesamtform der Webung in der Vorläufer-Fasermatte (Faserorientierung und Form mit Bezug zueinander) in dem Verbundstoff-Metallteil beibehalten werden. In manchen Ausführungsformen kann die Orientierung oder das Muster der Kohlefasern, die bzw. das von dem Webmuster der Vorläufer-Fasermatte abgeleitet ist, im Wesentlichen gleich wie bei der Vorläufer-Fasermatte sein, mit Ausnahme von Diskontinuitäten in den Kohlefasern, die durch den Carbonisierungsprozess hervorgerufen werden können. In anderen Ausführungsformen kann das Webmuster (Orientierung der Fasern mit Bezug zueinander) durch den Thermoformungsprozess geringfügig verformt werden (z. B. kann der Winkel zwischen Längsrichtungen der Fasern, die eine jeweils anfangs unterschiedliche Orientierung aufwiesen, verändert werden, z. B. von etwa 1 Grad bis etwa 45 Grad).
  • In manchen Ausführungsformen kann ein Hauptabschnitt der Kohlefasern in einem Verbundstoffteil, der von einem Webmuster einer Vorläufer-Fasermatte abgeleitet wird, die zwei Hauptlängsorientierungen umfasst, Kohlefasern aufweisen, die von etwa 10 Grad bis etwa 90 Grad mit Bezug zueinander, stärker bevorzugt von etwa 45 Grad bis etwa 90 Grad mit Bezug zueinander orientiert sind.
  • Unter den vielen Vorteilen der Ausführungsformen ist die Fähigkeit enthalten, ein kohlefaserverstärktes, leichtes Metall-Verbundstoffteil mit gerichtet orientierten Fasern zu bilden, wobei die Kohlefasern in situ gebildet werden. Zusätzlich kann die metallische Verbundstoff-Mikrostruktur mit zellulärer Mikrostruktur gebildet sein, die auf der Basis der Steuerung des Vorläufermaterials und der Temperatur, der Atmosphäre und des Drucks des Thermoformungsprozesses verändert werden kann, was zu einem leichteren Metallmatrix-Verbundstoff ohne zusätzliche Prozessschritte führt.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen davon nicht als eine Abweichung vom Gedanken und Umfang der Erfindung anzusehen.

Claims (20)

  1. Thermogeformtes, auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhendes Material, umfassend: eine Matrix aus gesinterten Metallpartikeln, die ein Metall und/oder eine Metalllegierung umfassen; und Kohlefasern innerhalb der Matrix, die eine Orientierung und Form aufweisen, die von einer Vorläufer-Fasermatte abgeleitet sind.
  2. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Matrix aus gesinterten Metallpartikeln eine zelluläre Mikrostruktur umfasst.
  3. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Orientierung und/oder Form der Verstärkungskohlefasern über zumindest einen Abschnitt des Kohlenstoffmaterials im Wesentlichen gleich wie die der Vorläufer-Fasermatte ist/sind.
  4. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Orientierung von Kohlefasern von einem Webmuster abgeleitet ist, das die Vorläufer-Fasermatte umfasst.
  5. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Orientierung von Kohlefasern einen Hauptabschnitt der Kohlefasern umfasst, der Längsrichtungen aufweist, die von etwa 10 Grad bis etwa 90 Grad mit Bezug zueinander orientiert sind.
  6. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei der Schmelzpunkt des Metalls und/oder der Metalllegierung höher als etwa 300°C ist.
  7. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei der Schmelzpunkt des Metalls und/oder der Metalllegierung niedriger als etwa 950°C ist.
  8. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei der Schmelzpunkt des Metalls und/oder der Metalllegierung von etwa 400°C bis etwa 700°C liegt.
  9. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei das Metall und/oder die Metalllegierung Magnesium und/oder Aluminium umfasst/umfassen.
  10. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Metallmatrix organisches oder anorganisches zusätzliches Material umfasst.
  11. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Metallmatrix partikelförmiges und/oder faserförmiges anorganisches Verstärkungsmaterial zusätzlich zu den Kohlefasern umfasst.
  12. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Metallmatrix ein adhäsives Material umfasst.
  13. Verbundstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei das thermogeformte Material ein Kraftfahrzeugteil umfasst.
  14. Verfahren zum Bilden eines thermogeformten, auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhenden Materials, das umfasst, dass: eine Verbundstoff-Vorformlinganordnung (ein Laminat) aus Metallpartikeln bereitgestellt wird, die zumindest einen Typ von Metallpartikeln umfassen, wobei die Metallpartikel auf und zumindest teilweise um eine Fasermatte herum getragen sind, die eine erste Orientierung und Form aufweist, wobei die Fasermatte mehrere Schichten aus Fasern enthaltendem organischem Polymer umfasst; und die Verbundstoff-Vorformlinganordnung (das Laminat) einem Thermoformungsprozess bei einer Temperatur unterzogen wird, so dass die Metallpartikel sintern, um eine kontinuierliche Phase zu bilden, und die Fasermatte zumindest teilweise carbonisiert, um Kohlefasern zu bilden, die eine zweite Orientierung und Form aufweisen, die von der ersten Orientierung und Form abgeleitet sind, was zu einem kohlefaserverstärktem Metallmatrix-Verbundteil führt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das ferner den Schritt umfasst, dass die Verbundstoff-Vorformlinganordnung (das Laminat) bei einer Zwischentemperatur vor dem Thermoformungsprozess erwärmt wird, wobei die Zwischentemperatur unterhalb einer Temperatur einer Carbonisierung der Fasermatte liegt.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Erwärmens eine gesteuerte Atmosphäre und einen gesteuerten Druck umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Thermoformungsprozess eine gesteuerte Atmosphäre und einen gesteuerten Druck umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Temperatur des Thermoformungsprozesses höher als ein Schmelzpunkt von zumindest einem Metall ist, das die Metallmatrix umfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schmelzpunkt des zumindest einen Metalls höher als etwa 300°C ist.
  20. Auf Verbundstoff-Pulvermetallurgie beruhendes Vorläufermaterial zum Bilden eines thermogeformten Teils daraus, umfassend: eine Anordnung von Matrix-Metallpartikeln, die zumindest ein Metall umfassen; und ein Fasermattensubstrat, das die Matrix-Metallpartikel trägt und zumindest teilweise von diesen umgeben ist, wobei das Fasermattensubstrat mehrere Schichten aus Fasern enthaltendem organischem Polymer umfasst, wobei die Fasermatte eine vorbestimmte Orientierung aufweist, wobei die Metallpartikel an der Fasermatte haften.
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