DE1558690C

DE1558690C - Faser-Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1558690C
Authority: DE
Inventors: Raymond Vincent North Olmsted Ohio Sara (V.StA.)
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Publication date: 1972-05-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus Zinn oder einer Zinnlegierung als Matrix mit eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes.

Zinn wird industriell in weitem Umfange verwendet. Eine der wichtigsten Verwendungen ist die.Herstellung von schützenden Überzügen auf festeren Materialien oder Trägern. Die Verwendung von Zinn allein als Konstruktionsmaterial ist begrenzt durch seine schlechten physikalischen Eigenschaften, z. B. durch die geringe Zugfestigkeit und den geringen Elastizitätsmodul. Üblicherweise wird die Zugfestigkeit von Zinn verbessert durch Legieren mit Kupfer und/oder Antimon. Die so hergestellten Legierungen haben aber auch noch eine recht geringe Festigkeit.

Es ist schon vorgeschlagen worden, die Zugfestigkeit von Zinn durch Einlagern eines inerten faserigen Materials zu erhöhen. Hierfür bietet sich Fasermaterial aus Kohlenstoff an. Bei Versuchen wurde aber festgestellt, daß feste, nichtporöse Verbundwerkstoffe aus Zinn mit eingelagerten Kohlenstoff-Fasern nicht direkt durch Verbinden der Kohlenstoff-Fasern mit der Matrix aus Zinn gewonnen werden können. Wahrscheinlich beruht diese Schwierigkeit darauf, daß die Kohlenstoff-Fasern durch geschmolzenes Zinn nicht gut benetzt werden und daß beim Abkühlen der so umhüllten Fasern das Zinn wenigstens teilweise sich von den Kohlenstoff-Fasern trennt, wobei Zwischenräume und schwache Stellen in dem Verbundwerkstoff entstehen.

Es wurde· nun gefunden, daß diese Schwierigkeit überwunden werden kann, wenn man die Kohlenstoff-Fasern mit einem dünnen, zusammenhängenden Metallfilm überzieht, der einen Schmelzpunkt über dem Schmelzpunkt des Zinns oder der Zinnlegierung hat und leicht durch Ziiin oder die Zinnlegierung benetzt wird. Dieses Metall soll auch Kohlenstoff leicht benetzen und darf bei der Benetzung mit Zinn oder der Zinnlegierung keine niedrigschmelzenden Legierungen oder spröde intermetallische Phasen bilden. Vorzugsweise besteht der Überzug aus Nickel, Titan oder Chrom.

Die Benetzungsfähigkeit von Graphit durch geschmolzene Metalle und die Benetzungsfähigkeit von festen Metallen durch geschmolzenes Zinn ist in der Literatur beschrieben, z. B. in einem Aufsatz von N a i d i c h und Kolesnichenko in der Zeitschrift »Poroshkovaya Metallurgia«, Nr. 3 (21), S. 23 bis 28, Mai—Juni 1964, und in einem Aufsatz von Bondi in der Zeitschrift »Chemicals Review«, 52 (1953), S. 417 bis 458.

Diese Verbundwerkstoffe sind nicht nur praktisch porenfrei, sondern sie erhöhen auch die Zugfestigkeit von Zinn in einem weitaus größeren Ausmaß als die üblichen Legierungsbestandteile. Sie enthalten zahlreiche Kohlenstoff-Fasern, von denen jede mit einer dünnen "Schicht eines Metalls überzogen ist, dessen Schmelzpunkt über dem Zinn liegt. Die Fasern sind, vorzugsweise in paralleler Anordnung, durch eine Matrix aus Zinn oder einer Zinnlegierung miteinander verbunden.

Zur Herstellung dieser Verbundwerkstoffe ist erfind ungsgemäß ein Verfahren möglich und vorteilhaft, nach welchem die Kohlenstoff-Fasern mit einem dünnen, zusammenhängenden Film aus einem geeigneten Metall überzogen werden, worauf man ein Aggregat der so behandelten Fasern in die gewünschte f'orm brinpt. die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern mit geschmolzenem Zinn oder einer geschmolzenen Zinnlegierung ausfüllt und das Ganze dann abkühlt.

Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff aus Graphitfasern und Zinn, der etwa 33,5 Volumprozent Fasern enthält, hat eine Dichte, die um 20°/₀ unter der von Zinn liegt, einen etwa doppelt so großen Elastizitätsmodul wie Zinn und eine Zugfestigkeit, die etwa 24mal höher ist als die von Zinn. Der Verbundwerkstoff kann durch an sich bekannte Verfahren in jede gewünschte Form gebracht werden. Seine Eigenschaften machen es geeignet als Konstruktionsmaterial in Apparaten, deren Teile fest und widerstandsfähig gegen Korrosion sein müssen.

Die Figur zeigt im Querschnitt einen rechteckigen Körper aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff. Der Körper 1 enthält parallel zueinander angeordnete Graphitfasern 2 mit einem zusammenhängenden Überzug 3 aus Nickel auf ihrer Oberfläche, der 2 Mikron

ao dick ist. Die so überzogenen Fasern werden zusammengehalten durch eine Matrix 4 aus Zinn. Die Graphitfasern 2 haben eine Länge von etwa 2,5 cm und sind in der Matrix 4 aus Zinn parallel zueinander angeordnet. Die Längsrichtung der Fasern 2 ist senkrecht zu der Oberfläche der Zeichnung.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann Kohlenstoff-Fasern beliebiger Art und Form enthalten. Vorzugsweise verwendet man Kohlenstoff-Fasern in Form eines einsträngigen Garnes. Die Herstellung solcher Fasern ist beispielsweise in den USA.-Patentschriften 3 107 152 und 3 116 975 beschrieben.

Der Überzug kann nach verschiedenen Verfahren auf die Kohlenstoff-Fasern aufgebracht werden. Zu diesen Verfahren gehört beispielsweise das galvanische Auftragen, das Aufbringen durch thermische Zersetzung einer flüchtigen Metallverbindung, z. B. eines Halogenides, oder durch Aufsprühen. Das jeweils verwendete Verfahren hängt von verschiedenen Umständen ab. Durch Aufsprühen können verhältnismäßig komplizierte Formen überzogen werden, wobei eine sehr feste Bindung zwischen dem Metall und der Kohlenstoff-Faser entsteht. Eine solche feste Bindung ist bei dem erfindurigsgemäßen Verbundwerkstoff sehr erwünscht. Die thermische Zersetzung eines geeigneten Halogenids erfordert ein Erhitzen der Kohlenstoff-Fasern, was das Überziehen gewisser Formen erschwert. Das galvanische Aufbringen ist ein ausgezeichneter Weg zum Überziehen von Kohlenstoff-Fasern mit einer dünnen Metallschicht und ist deswegen in der Regel bevorzugt.

Die Metall-Matrix besteht vorzugsweise aus Zinn. An Stelle von Zinn können aber auch Zinn-Legierungen mit Anteilen an niedrigschmelzenden Metallen als Legierungskomponente verwendet werden, z. B. mit Blei, Antimon und Wismut.

Das nachstehende Beispiel erläutert im einzelnen das erfindungsgemäße Verfahren.

Ein aus einem einzigen Strang bestehendes Garn aus Graphit mit einem mittleren Fadendurchmesser von 6,9 Mikron, das aus 720 Einzelfäden bestand,, wurde in Stücke von etwa 10 cm Länge zerschnitten. Diese Abschnitte des Graphit-Garnes wurden dann in Aceton eingetaucht, um das anschließende Über-. ziehen mit Nickel zu erleichtern. Nickel wurde galvanisch aufgebracht unter Verwendung einer Nickelanode und eines Bades, das in 500 ml destilliertem Wasser 200 g NiSO₄ · 6 H₂O und 22 g H₃BO₃ enthielt. Beim Plattieren wurde die Temperatur auf etwa 52°C

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und die Stromstärke zwischen etwa 400 und etwa 1000 mA gehalten. Eine metallographische Untersuchung der so überzogenen Fasern zeigte, daß alle Einzelfäden einen Überzug aus Nickel mit einer mittleren Dicke von 1 bis 3 Mikron hatten. Dann schnitt man das Garn in Stücke von etwa 2,5 cm Länge und brachte sie in ein zylindrisches Rohr von etwa 2,5 cm Länge und einem inneren Durchmesser von etwa 35 mfn. Das Rohr war an den beiden Enden geschlossen. Die Oberfläche des Rohres hatte zwölf unregelmäßig angeordnete Löcher oder Öffnungen, um das Eintreten von Zinn in den Zylindern zu erleichtern.

Das zylindrische Rohr mit den Fasern wurde in eine luftdicht abgeschlossene Kammer gebracht,· die ein Gefäß mit Zinn enthielt. Dann wurde die Kammer auf einen Druck von etwa 2 · 10~⁶ mm Hg evakuiert, um die Graphit-Fasern zu entgasen. Die Kammer mit dem darin befindlichen Zinn wurde auf eine Temperatur von etwa 300° C erhitzt. Anschließend tauchte man das Rohr mit den Fasern unter die Oberfläche des geschmolzenen Zinns. Dann füllte man die Kammer mit Argon, bis ein Druck von etwa 1 Atmosphäre erreicht war, um dadurch dem geschmolzenen Zinn zu ermöglichen, alle Zwischenräume zwischen den Graphit-Fasern auszufüllen. Nach etwa 30 Sekunden wurde das Rohr aus dem geschmolzenen Zinn herausgenommen, abgekühlt und aus der Kammer entfernt.

Eine metallographische Untersuchung des so erhaltenen Verbundwerkstoffes zeigte, daß der Nickelüberzug mit den Graphit-Fasern gut verbunden war, daß die Matrix aus Zinn die Fasern gleichmäßig und vollständig benetzt hatte, daß der Zusammenhang des Nickelüberzuges nicht gestört war und daß keine unerwünschten Reaktionszonen zwischen dem Nickel und dem Zinn entstanden waren.

Die physikalischen Eigenschaften des so erhaltenen Verbundwerkstoffes sind in der nachstehenden Tabelle enthalten. Zum Vergleich sind auch die entsprechenden Angaben für reines Zinn wiedergegeben.

Material	Dichte g/cm³	Elastizitäts modul • 10⁶ g/mm²	Zugfestigkeit kp/mm²
Zinn Verbundwerkstoff gemäß der Erfin dung	7,05 5,56	5,5 11,3	1,4 33,1

Die Zahlen zeigen, daß ein Verbundwerkstoff mit etwa 33,5 Volumprozent Graphit-Fasern eine" Dichte von etwa 20% weniger als Zinn hat, daß der Elastizitätsmodul etwa doppelt so groß wie der von Zinn ist' und daß die Zugfestigkeit etwa 24mal so hoch ist wie die von Zinn. ""

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff kann überall dort angewendet werden, wo es auf eine hohe Korrosionsfestigkeit, eine geringe Dichte und auf eine höhere Zugfestigkeit als die von Zinn ankommt.

Das Beispiel beschreibt einen Verbundwerkstoff, bei welchem die Fasern parallel zueinander angeordnet sind. Man kann aber die Graphitfasern auch unregelmäßig in der Matrix aus Zinn anordnen, wenn stärker isotrope physikalische Eigenschaften gewünscht werden, ohne daß die Vorzüge der Erfindung verlorengehen. Ebenso kann auch die Dicke des Metallüberzuges auf den Fasern geändert werden. In manchen Fällen ist eine Dicke von nur 0,1 Mikron genügend. An Stelle von Fasern aus Graphit können auch Fasern ίο und Gewebe aus nichtgraphitischem Kohlenstoff verwendet werden. Ebenso ist es durchaus möglich, die mit Metall überzogenen Kohlenstoff-Fasern auf andere Weise mit geschmolzenem Zinn oder einer geschmolzenen Zinnlegierung zu tränken.

Claims

Patentansprüche:

1. Verbundwerkstoff aus Zinn oder einer Zinnlegierung als Matrix mit eingelagerten Fasern aus Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet,

ao daß die Fasern aus Kohlenstoff mit einem zusammenhängenden Überzug versehen sind, der aus einem Metall besteht, welches einen höheren Schmelzpunkt als Zinn hat, den Kohlenstoff leicht benetzt und das auch von Zinn oder einer Zinnlegierung leicht benetzt wird, ohne daß hierbei niedrig schmelzende Legierungen oder spröde intermetallische Phasen entstehen.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern aus Graphit bestehen.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug auf den Kohlenstoff-Fasern aus Nickel, Titan oder Chrom besteht.

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug auf den Kohlenstoff-Fasern 1 bis 3 Mikron dick ist.

5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff Fasern die Form eines Garnes haben.

6. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern parallel zueinander angeordnet sind.

7. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern zuerst. mit dem höher als Zinn schmelzenden Metall überzogen, dann in geschmolzenes Zinn oder in die geschmolzene Zinnlegierung eingetaucht und anschließend abgekühlt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Überzugsmetall galvanisch oder durch thermische Zersetzung einer, flüchtigen Metallverbindung oder durch Aufsprühen aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die überzogenen Fasern im Vakuum entgast, anschließend in das geschmolzene Zinn oder die geschmolzene Zinnlegierung unter

Vakuum eingetaucht werden und dann der Druck über der Schmelze erhöht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen