DE1796071A1

DE1796071A1 - Faeden von hoher mechanischer Festigkeit und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1796071A1
Application number: DE19681796071
Authority: DE
Inventors: Claude Achener
Original assignee: Quartz and Silice SA
Current assignee: Saint Gobain Quartz SAS
Priority date: 1967-09-15
Filing date: 1968-08-27
Publication date: 1972-03-02
Also published as: GB1228885A; US3589878A; BE720047A; CH526479A; LU56798A1; NL6812138A; DE1796071B2; USRE27560E; FR1543495A

Description

So Ao QUARTZ & SIIICB, 8 rue d'Anjou, PARIS (8e), Prankreich

"Fäden von hoher mechanischer Festigkeit und Verfahren zu

deren Herstellung"

Die Erfindung betrifft Fäden von besonders hoher mechanischer Festigkeit, insbesondere solche aus synthetischen mineralischen Stoffen, und Verfahren zu deren Herstellung«,

Aus synthetischen mineralischen Stoffen, insbesondere aus Glas hergestellte Fäden können theoretisch sehr hohe mechanische Festigkeitswerte erreichen. Diese hohen Festigkeitswerte sind jedoch nur im Laboratorium erzielbar und können auf experimentellem Wege gemessen werden, wenn bei der Durchführung der Messungen unter außerordentlichen Vorsichtsmaßnahmen gearbeitet wird. In der Praxis lassen sich, insbesondere bei der industriellen Herstellung von Glasfaden, die gleichzeitig in einer Mehrzahl von solchen gezogen werden, Reibungen der ele-

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SAO ORtGiNAL

mentaren Fäden untereinander und an den Führungen, die 'benutzt werden müssen, um sie aufzuwickeln, nicht vermeiden. Durch diese Reibungen werden auf der Oberfläche der Fäden Mikrofissuren erzeugt, deren Vorhandensein zur Folge hat, daß die Fäden verhältnismäßig leicht zerbrechlich sind und ihre mechanische Festigkeit, verglichen mit der, die sie theoretisch erreichen könnten, verhältnismäßig gering ist.

Zur Behandlung von kompakten Glaskörpern, die in ihrer endgültigen Form vorliegen, ist ein Verfahren, welches es ermöglicht, deren mechanische .Festigkeit erheblich zu erhöhen, nämlich die als "Härtung" bekannte Vorspannungsbehandlung solcher Glaskörper, bekannt. Diese Behandlung wird beispielsweise für Spiegelglasverglasungen von Automobilen angewendet. Sie besteht darin, daß die Außenfläche der Glasscheibe, nachdem diese vorher auf die Wiedererweichungstemperatur des G-lases erwärmt wurde, schroff abgekühlt wird. Als Folg« dieser Behandlung ergibt sich ein Glaskörper, dessen Außenschicht unter starken Druckspannungen, dessen Innenschicht dagegen unter Zugspannungen steht. Durch das Vorhandensein dieser konträr gerichteten Spannungen wird die mechanische Festigkeit der in dieser Weise behandelten Spiegelglasscheiben erheblich gesteigert*

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Für die Behandlung von Glasfaden läßt sich dieses Verfahren jedoch nicht mit nennenswerter 'Jirkung anwenden, weil es wegen der größenordnungsmäßig nur von einigen Mikron bis zu einigen Zehnermikron Durchmesser gehenden Abmessungen der elementaren Fasern, die gebogen werden κκ£, nicht möglich ist, über diese geringe Dicke das für die Vorspannungsbehandlung erforderliche Temperaturgefälle zu erzielen.

Die Erfindung hat Bich die Aufgabe gestellt^ die mechanischer Spannungen der gleichen Art, wie sie durch die "Härtung" von kompakteren Glasgegenständen erhalten werden, und dcfcflt deshalb verbesserte mechanische Festigkeitseigenschaften besitzen, herzustellen.

In jüngerer Zeit sind Glaszusammensetzungen bekannt geworden, die äie Eigenschaft besitzen, nach einer zweckentsprechenden Vförmebehandlung, als deren Folge die Gesamtheit ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften verändert wird, zu entglasen«, Solche Glaszusammensetzungen sind beispielsweise in den französischen Patentschriften 1 096 398, 1 177 799 und Zusatzpatentschriften hierzu, 1 300 614, 1 337 180 und 1 388866 beschrieben. Diese bekannten Verfahren führen zu entglasten Glaskörpern von sehr geringen, unter Umständen sogar negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

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Mit dieser Entglaaung gleichlaufend ergibt sich eine erhebliche Verringerung des Volumens und damit Erhöhung der Dichte der Glaskörper, die größenordnungsmäßig mehrere Prozent beträgt. Beispielsweise ergibt sich im FaIIe eines Glases, dessen Dichte vor der entglasenden Wärmebehandlung 2,42 betrug, nach der Entglaeung ein Dichtigkeitswert von 2,55, d.h. eine Erhöhung der Dichte um etwa 5 $·

Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren zur Herstellungen von Fäden aus mineralischen Stoffen, die sich durch außerordentlich hohe mechanische Festigkeit auszeichnen, besteht grundsätzlich darin, daß zwei Gläser, von denen das eine entglasbar, das andere jedoch nicht entglasbar ist, in zwei miteinander verschweißten Schichten zusammengeschmolzen und darauf die Gesamtheit einer die Ent glasung der entglftsbaren Schicht herbeiführenden Wärmebehandlung unterworfen wird, als deren Ergebnis in diesen Schichten Spannungen erzeugt werden, die ähnlich denen sind, wie sie in einem "gehärteten" Glaskörper durch diese Vorspannungsbehandlung erhalten werden.

Die beiden Gläser können nach ihrer Miteinanderverschweißung in der Wärme bearbeitet werden, um ihnen eine Formänderung zu erteilen, vorausgesetzt, daß sie im Zuge dieser Behandlung nioht nennenswert miteinander vermischt werden und jedee der Gläser seine spezifischen Eigenschaften beibehält·

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Daa folgende praktische Beispiel veranschaulicht den Grundgedanken der Erfindung.

Es sollen verwebbare Glasfäden von hoher mechanischer !Festigkeit hergestellt werden. Eins der üblicherweise zur Herstellung von solchen verwebbaren Fäden, insbesondere solcher aus reinem, geschmolzenen Quarzglas, angewendeten Verfahren besteht darin,

durch daß Stäbchen aus Quarzglas in einem Ofen oder jox einanc Lötrohr erhitzt und gezogen werden. Hierfür werden als Ausgangsmaterial beispielsweise Stäbchen von mehreren Millimetern Durchmesser verwendet, die vor der flamme eines Lötrohres vorbeibewegt und hierdurch geschmolzen werden und der aus diesem Faden mit hoher Geschwindigkeit durch eine Spulmaschine mit hoher regelbarer Geschwindigkeit umlaufende Spulmaschine ausgezogen und aufgewickelt.

Bei dem den Gegenstand der Erfindung bildenden Verfahren wird anstelle eines solchen Stäbchens ein Verbundkörper verwendet, der aus einem Quarzrohr, welches ein Stäbchen aus einem entglaebaren Glas innig umschließt, besteht. Dieses entglasbare Glas kann zum Beispiel xxx Lithium-Siliooaluminat mit Spuren von Zirkonium als Entglasungskatalysator enthaltene

Die aus dem Stäbchen aus entglasbarem Glas und dem dieses um-

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BAD ORIGINAL

schließenden Bohr aus reinem Quarz bestehende Gesamtheit wird an dem einen ihrer Enden in einem Ofen oder in der flamme eines Lötrohres bis zum Schmelzen erhitzt· Der Körper des von dem Quarzrohr umhüllten Stäbchens ist ale solcher in einer Vorrichtung befestigt, duroh wtlohe er mit gleichmäßiger Geschwindigkeit nach der Erhitzungsvorrichtung hin vorwärtstoewegt wird. Die Bildung des Fadens wird dadurch eingeleitet, daß das erweichte Ende des umhüllten Stäbchens von einer Zange erfaßt und schnell nach der sehr schnell umlaufenden Trommel der Spulmaschine hin bewegt wird. Der gebildete Faden wird um die Trommel der Maschine gewickelt und wickelt sioh daraufhin weiter auf diese auf. Bs ergibt sich derart ein Faden, dessen Durchmesser nur von dem Verhältnis der Vorsohubgeschwindigkeit des umhüllten Stäbohens und der Umlaufgeschwindigkeit der Trommel des Haspels abhängt« Wenn nach Ablauf einer gewiesen Zeitdauer die !Trommel gefüllt ist, wird der Vorgang zwecks Füllens einer weiteren Spule erneut begonnen.

Der in dieser Weise erhaltene Faden, der ethr βohroff gekühlt worden ist, besitzt vom Gesichtspunkt seiner mechanischen Festigkeit noch keine besonderen Eigenschaften. Jsdooh haben

die beiden Gläser, aus welohen er besteht, während des insziehvorganges ihre Lage zueinander beibehalten, das heißt es ist ein von einer Schicht aus Quarzglas uasohloessner Faden aus entglasbarem Glas hergestellt worden. Dieser Fadsn wird

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nunmelir für eine Zeitdauer von größenordnungsmäßig 30 Minuten bis zu einigen Stunden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 850 bis 95O⁰C unterzogen. Als Folge dieser Behandlung setzt sich das entglasbare Glas, aus welchem die Seele des Fadens besteht, in entglastes G-las um, wobei sich gleichzeitig seine Dichte erhöht und damit sein Volumen abnimmt· Quarzglas ist bei dieser Temperatur praktisch nicht verformbar, weil seine Viskosität sehr hoch ist, sodaß demzufolge diese Kontraktion der Seele des Fadens bewirkt, daß die röhrenförmige Umhüllung aus Wuarzglas unter Druckspannung gerät. Durch diese Volumenänderung, die, wie oben bemerkt, einen Wert von 5 ^CJ> erreichen kann, wird also die Umhüllung aus Quarzglas parallel zu der Oberfläche des Fadens unter eine Bruckspannung

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von größenordnungsmäßig 100 bis zu einigen 100 kg/mm gesetzt.

Da die Oberfläche des Fadens xaxmsmsab nunmehr unter Druckspannung steht, kann keine der Reibungsbeanspruchungen, denen er vor der Wärmebehandlung oder nach dieser ausgesetzt ist, Spuren von Rissen, durch welche die mechanische Festigkeit des Fadens geschwächt werden könnte, erzeugen oder bestehen lassen. Ferner wird, falls der Faden im Zuge seiner Verwendung oder im Verlauf von Versuchen Spannungen ausgesetzt wird, seine Außenschicht erst dann gedehnt, nachdem seine Seele eine Verformung erlitten hat, die wesentlich gleich der der Druckspannung ist, unter welcher seine Oberfläche steht»

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Ds, bekanntlich bei zerbrechlichen Stoffen, wie Glas, die auf Dehnung beruhenden Brüche immer an den Oberflächenfissuren beginnen, ist ersichtlidherweise die mechanische Zugfestigkeit der gemäß der Erfindung hergestellten Fäden außerordentlich erhöht ο

Ea ist ferner bekannt, daß die mechanische Zugfestigkeit von Fäden aus Glas, insbesondere solchen von Quarzglas, bei Steigerung der Temperaturen im Bereich von 100 bis 600 C sehr schnell absinkt. Der Grundgedanke, auf welchem die Erfindung beruht, bleibt aber audah für diesen Temperaturbereich gültig, weil die bei hoher Temperatur (von größenordnungsmäßig 900⁰C) erzeugten Zugspannungen in praktisch identischer Weise zwischen diesen Temperaturen und der Außentemperatur beibehalten wercen. Auch im Falle seiner Verwendung bei hoher Temperatur ist das den . Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren von sehr großer Bedeutung, weil es die bisher nicht vorhandene Möglichkeit dafür schafft, Glasfäden oberhalb von Temperaturen, bei denen die üblicherweise als Gleitmittel und zum Schütze der Fäden verwendeten Stoffe zerstört werden, wirksam zu schützen,

Jr.tar gewissen Voraussetzungen erweist es sich als vorteilhaft, '.-er^ß einer besonderen Aueführungsform des neuen Verfahrens «-,w; achsxi das Stäbchan aus entglasbarem Glas und das äußere ■),, .,^,,,,ν,τ- $j.ne Zwisoiienhülse einzuschalten. Diese Zwisohen-

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hülse kann dann vorteilhafterweise aus einem Glas bestehen, dessen Zusammensetzung zwar der der entglasbaren G-läser entspricht, das aber einen erheblich, gegebenenfalls sogar bis auf Null verringerten Gehalt an Alkali und insbesondere an Lithium besitzt. Durch diese Zwischenhülse wird das Quarzglas gegen das Lithium, das ein wirksamer Entglasungskatalysator auch für Quarzglas ist und das bei hohen Temperaturen, insbesondere im Zuge der WärMebehandlung bei etwa 900 C sehr schnell in dieses diffundiert, in wirksamer Weise gegen die entglasende Wirkung des Lithiums geschützt,

Diese Zwischenhülse kann an sich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch aus jeder anderen als der beschriebenen Glaszusammensetzung bestehen, die eine Abschirmung gegen ein Diffundieren des Lithiums in das Rohr aus Quarzglas hinein verhindert«

Selbstverständlich ist die Erfindung überhaupt nicht auf das vorstehend im einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, dem gegenüber vielmehr zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen»

Patentansprüche \ 209810/0630

ORIGINAL

Claims

it?

Patentansprüche ι

(y, Pasern oder Fäden von hoher mechanischer Festigkeit aus synthetischen mineralischen Stoffen, insbesondere aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Seele aus einem entglastem Glas und einer diese innig umschließenden röhrenförmigen Umhüllung aus Quarzglas, die unter hohen paral-IeI zu ihrer Oberfläche gerichteten Druckspannungen von größenordnungsmäßig 100 bis zu einigen 100 kg/mm steht, bestehen.

2. Verfahren zur Herstellung von Glasfaden von hoher mechanischer Festigkeit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gläser, von denen das eine ein entglasbares Glas, dessen Volumen sich bei seiner Entglasung verringert, und das andere ein nicht entglasbares Glas ist, in zwei übereinanderliegenden Schichten miteinander verschweißt werden, die derart gebildete Gesamtheit einer ohne Veränderung der anderen Schicht die Entglasung der Schicht aus entglasbarem Glas herbeiführenden Wärmebehandlung unterzogen wird und durch die demzufolge eintretende Volumenverringerung der entglasbaren Schicht in den Gläsern Spannungszustände hervorgerufen werden, die den in einem "gehärteten" Glaskörper erzeugten Spannungen analog sind.

3. Verfahren naoh Anspruoh 2, daduroh gekennzeichnet, daß als Ausgangematerial ein aus einer Einlage oder

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Seele aus entglasbarem Glas, die innig durnh eine dazu konzentrische init ihr verschweißte Außenschioht aus eine^ nicht entglasbaren Glas abgedeckt ist, bestellender Verbundkörper verwendet wird ο

■ * "Verfahren nach Anspruch 2 unä 3_t dadurch gekennzeichnet, die Innenεchient beziehungsweise Seele des verbundkörper^ aus einem eine geringe ante lüge Meii^e ar. Zirkonium ode"" ei:i-im anderen EntglasungEkatalysator enthaltende:! Lithium

Te.;:-:'ahrer_L loch A:n.pruoh £ η: ο 4, a.aiurc^;.. r-_;^.rir.·,■.■ lehnet dll.i ÄUii ti-. ,.-E^.v- J.. -·- .ii'l;=. ^:;Ub Qu U Γ ^-

3i:u;"-t^lah:vu:-....j:'v/r:. .'es verfylirü^s nach Ans^rv.ch 2 cio 3, d dc;_iii ßiik :.i--;;-: ε : -^₁-.:-;'' ; daii cv-itühen -ie i<u- v·:. :gⁿ. .iöbarerc uiif die \uts .αΐ:.ίν Ci.tgl&Hbarer Glas begehenden Schicht ■3:l":u- 2vvi;;^'v-:u:s· ":;.i -.!it :-.uh einem ent^ Las^-:.:/-.^. 'iia; liit jt·] εν;.. -.„Λώ tf ε j i."-,.*l· ^ ·.■-■■.:. ..-.'.."■.".. Is bis "sf M ..' i 1 ν'-'Γ-'.'?' ' c'.'""■.·-η '" eh p.

BAD ORIGINAi.

Seelenkörper in die Quarzglasschicht bildet.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 "bis 7_t dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder drei miteinander vereinigten Glasschichten gemeinsam nach ale solche bekannten Verfahren zu einem kontinuierlichen nach dem Ziehen aus den zwei oder drei voneinander verschiedenen übereinander liegenden Ausgangsschichten bestehenden Faden ausgezogen wjferden,

9· Verfahren nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden für eine Zeitdauer von größenordnungsmäßig 30 Minuten bis zu mehreren Stunden einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 850 bis 95O⁰O unterworfen und ; durch diese die Entglasung des die Seele bildenden Glas- j körpers ohne Veränderung der Außeneohicht herbeigeführt wird·

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