DE1912465B2

DE1912465B2 - Verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE1912465B2
Application number: DE19691912465
Authority: DE
Inventors: Raymond Vincent North Olm sted Ohio Sara (V St A )
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1968-05-09
Filing date: 1969-03-12
Publication date: 1972-06-22
Also published as: DE1912465A1; US3535093A; FR2008114B1; GB1187007A; FR2008114A1

Description

ordneten Gnvphitfasern 12 in einer Einbettung 18 aus Aluminium besteht. Der Silberliberzug auf den Fasern ist nicht durgestellt, Die Graphitfasern 12 verlaufen senkrecht zur Bildebene,

Die F i g. 2 zeigt eine einzelne Graphitfaser 12 im Werkstoff nach F i g. 1 mit einem oberllächigen Überzug 14 uns Silber und einer aus Aluminium und Silber hestehenden Zwischenzone 16 zwischen dem Silber-Überzug und der Einbettung 18 aus Aluminium.

Aus Kohlenstoff bestehende Textilien in beliebiger »o Form können erfindungsgemäß verwendet werden. Vorzugsweise verwendet man ein Garn aus einem oder mehreren Fäden. Mandelsübliche Textilien aus Kohlenstoff können hergestellt werden nach den in den USA.-Patentschriften 3 107 152 und 3 116 975 beschriebenen Verfahren.

Das Silber kann auf die Fasern aus Kohlenstoff nach verschiedenen an sich bekannten Verfahren aufgebracht werden. Zu diesen Verfahren gehören das elektrolytische Niederschlagen aus einem leitenden Bade, die Reduktion von Salzen zu Metall oder das Aufsprühen. Das jeweils anzuwendende \ erfahren hängt von verschiedenen Umständen ab. Durch Aufsprühen kann man Gegenstände komplizierter Form überziehen, wobei eine feste Bindung zwischen dem dünnen Siiberüberziig und der Faser aus Kohlenstoff entsteht. Eine solche feste Bindung ist für den vorliegenden Zweck sehr erwünscht. Man kann auch die Fasern aus Kohlenstoff in eine Silber enthaltende Lösung eintauchen und dann das Salz chemisch zum Metall reduzieren. Bei diesem Verfahren ist es aber schwierig, die Dicke des Silberüberzuges genau zu regeln. Das elektrolytische Niederschlagen von Silber aus einem leitenden Bade ist das beste Verfahren zur Herstellung eines dünnen Überzuges von Silber. In der Regel wird dieses Verfahren bevorzugt, da ein gleichmäßig dicker, sehr fest haftender Metallüberzug entsteht.

Das nachstehende Beispiel erläutert eine vorzugsweise Form des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Verwendet wurde ein aus einer Strähne bestehendes Grnphitgurn, das aus 720 Einzelfaden bestund. Jeder dieser Einzelfäden halte einen Rlaslizitätsmoclul von 2,35 · 10" kp/cm³ und eine mittlere Zugfestigkeit von 1,40 · 10» kp/cm^a. Dieses Garn wurde in Stücke von 10 cm Länge geschnitten. Man erhitzte die Stücke 30 Sekunden lang auf 560"C in einem gegen die Atmosphäre geöffneten Röhrenofen. Die leicht oxydierten Fasern wurden unmittelbar danach elektrolytisch mit Silber überzogen, wobei man sie zuerst 5 bis 10 Sekunden lang in eine erste Lösung und dann 5 bis 10 Sekunden lang in eine übliche Plattierlösung brachte. Beim Behandeln in der ersten Lösung wurde an Strom von etwa 400 mA und beim Behandeln in eier üblichen Lösung ein Strom von etwa 600 bis 800 mA verwendet. Die erste Lösung enthielt je Liter 6,5 gSilbercyanid und 68,0 g Kaliumcyanid. Die übliche Lösung enthielt je Liter 41g Silbercyanid, 40 g Kaliumcyanid, 11g Kaliumhydroxyd und 62 g Kaliumcarbonat.

Die so überzogenen Graphitfasern wurden zu Stücken von 2,5 cm geschnitten und Jann in paralleler Anordnung zwischen abwechselnde Schichten einer Aluminiumfolie mit den Abmessungen von 0,075 · 3,2 · 25 mm gelegt. Die Aluminiumfolien bestanden aus 4.5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,6 Gewichtsprozent Mangan, 1,5 Gewichtsprozent Magnesium, Rest Aluminium. Für jede Schicht wurden zwei Strähnen von mit Silber überzogenem Kohlenstoffgarn verwendet. Das Ganze bestand aus 22 Aluminiumfolien und 42 Schichten von mit Silber überzogenem Garn. Man brachte es in eine Form aus Graphit und preßte 1 Stunde lang bei 550° C unter einem Druck von 160 kp/cm². Dann wurde in der Form auf Raumtemperatur abgekühlt und zu Stücken von 1,6 · 3,2 · 25 mm zerschnitten, um sie zu prüfen. Das Muster hatte eine mittlere Zugfestigkeit von 3090 kp cm² und einen Young-Modul von 0,91 · 10⁶ kp/cm².

Die nachstehende Tabelle zeigt die Verbesserungen, die durch die Erfindung erreicht werden.

Eigenschaften eines Materials aus Graphitfasern und einer Einbettung aus Aluminium

Anzahl der Aluminiutn- folicn	einbettendes Metall mit Silber überzogene Fasern mit Silber überzogene Fasern	Volumprozent der Fasern	Young- Modul · 10" kp/cm²	Zugfestigkeit kp/cm¹
0 24 30.	0 16 28	0,73 0,91 1,07	2530 3090 3970

Die erfindungsgemäßen Gegenstände und Materialien sind besonders wertvoll beim Bau von üblichen und Überschallflugzeugen, von Raumfahrzeugen und für verschiedene Antriebsvorrichtungen.

Der Silberüberzug auf den Fasern aus Kohlenstoff kann durch Tempern in eine Legierung aus Silber und Aluminium übergeführt werden, und zwar während oder nach der Herstellung der Gegenstände. Erforderlich ist es natürlich, daß die Legierung aus Silber und Aluminium nicht bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Silbers entsteht. Daher werden erfindungsgemäß Gegenstände erhalten, bei welchen die Fasern aus Kohlenstoff entweder mit Silbet, mit einer Legierung aus Silber und Aluminium oder mit einem Gemisch derselben überzogen und mit dem Einbettungsmaterial »tu Aluminium verbunden sind.

Das Beispiel beschreibt einen Werkstoff mit parallel

zueinander angeordneten Fasern. Man kann aber auch die Fasern unregelmäßig in dem Einbettungsmaterial anordnen, wenn stärker isotrope physikalische Eigenschäften gewünscht werden. Ebenso kann die Dicke der Silberschicht geändert werden. Erforderlich ist es hierbei, daß die Silberschicht dick genug ist, um eine Berührung des Einbettungsmaterials aus Aluminium mit den Pasern aus Kohlenstoff in einem solchen Aus maß zu verhindern, daß die Bindung zwischen den

Fasern und dem Einbettungsmaterial leidet. An Stelle

von GrapHtfasern können auch Fasern oder Gewebe aus nichtgraphitischem Kohlenstoff verwendet werden.

Das Einbettungsmaterial kann mit Vorteil aus reinem

Aluminium bestehen. In der Regel ist es aber vorzuziehen, ein Einbettungsmaterial aus einer Aluminiumlegierung mit einem inkongruenten Schmelzpunkt zu verwenden. Derartige Legierungen sind bekannt und

brauchen hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann so vorgegangen werden, daß man das geschmolzene Aluminium in und um die mit Silber überzogenen Fasern eindringen läßt, ohne hierbei das Silber zu entfernen, Vorzugsweise verbindet man aber die Stoffe durch Erhitzen auf eine solche Temperatur, bei welcher das Aluminium gerade zu schmelzen be ginnt, aber noch nicht vollständig flüssig ist. Das er weichte Einbettungsmaterial wird dann um und zwi sehen die einzelnen Pasern gedruckt. Dei hierfür be nötigte Druek ist nicht kritisch und muß nur genügen um die Fasern und das Einbettungsmaterial so wer zusammenzupressen, daß der Gegenstand praktiscl nicht porös ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

2387

Claims

1 2 Weitere Versuche sind gemocht worden, um Textilien Patentansprüche: aus Kohlenstoff und Metalle zu vereinigen. Hierbei soll die Festigkeit des metallischen Einbettungsmate-

1. Verbundwerkstoff aus Aluminium oder einer Hals durch die sehr festen Kohlenstoff-Fasern ver-Aluminiumlegierung mit darin eingebetteten Fasern 5 bessert werden.

aus Kohlenstoff, dadurch gekenn- Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Aluminium

zeichnet, daß die Fasern mit Silber und/oder als Einbettungsmaterial für Fasern aus Kohlenstoff zu

einer Silber-Aluminium-Legierung, die durch Dif- verwenden, um damit einen Werkstoff geringer Dichte

fusion des Aluminiums oder der Aluminiumlegie- für die Raumfahrt zu schaffen. Das Einbetten von

rung in die Silberschicht entstanden ist, überzogen io Fasern aus Kohlenstoff in Aluminium hat aber keinen

sind. oder nur geringen Erfolg gehabt, da Kohlenstoff, ins-

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch besondere Graphit, von geschmolzenem Aluminium gekennzeichnet, daß die Fasern aus Graphit be- nur schwierig benetzt wird.

stehen. Die Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, 15 durch Verwendung eines Überzugs aus einem mit dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Aluminium benetzbaren Material auf Fasern aus Kohlenstoffgarn bestehen. Kohlenstoff, wodurch eine feste Verbindung der Fasern

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 mit dem Einbettungsmaterial aus Aluminium erreicht bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlen- wird.

stoff-Fascrn parallel zueinander angeordnet sind. 20 Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus

5. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit darin bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium- eingebetteten Fasern aus Kohlenstoff, der dadurch gelegierung aus 4,5 °/₀ Kupfer, 0,6°/„ Mangan, 1,5% kennzeichnet ist, daß die Fasern mit Silber und/oder Magnesium, Rest Aluminium besteht. einer Silber-Aluminium-Legierung, die durch Diffu-

6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes 35 sion des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- die Silberschicht entstanden ist, überzogen sind,
zeichnet, daß man die mit Silber überzogenen Vorzugsweise bestehen die Fasern aus Graphit.
Kohlenstoff-Fasern in Berührung mit dem Alu- Die Fasern können aus Einzelfäden, vorzugsweise minium oder der Aluminiumlegierung bringt und aber aus einem Kohlenstoffgarn bestehen.

das Ganze dann be^j einer zwischen dem Schmelz- 30 In vielen Fällen ist es zweckmäßig, daß die Fasern

bereich des Aluminiums b'w. der Aluminiumlegie- parallel zueinander gerichtet sind,

rung und dem Schmelzpunkt des Silbers liegenden Ein Werkstoff guter Eigenschaften wird erhalten,

Temperatur zusammenpreß und anschließend er- wenn das Einbettungsmaterial aus einer Legierung mit

starren läßt. 4,5 °/„ Kupfer, 0,6% Mangan, 1,5% Magnesium, Rest

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn- 35 Aluminium besteht.

zeichnet, daß man die Kohlenstoff-Fasern und Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her-Folien aus Aluminium bzw. der Aluminiumlegie- stellung eines solchen Werkstoffes. Das Verfahren ist rung in abwechselnden Schichten übereinanderlegt dadurch gekennzeichnet, da» man die mit Silber über- und das Ganze dann in einer Form in einer inerten zogenen Kohlenstoff-Fasern in Berührung mit dem Atmosphäre erhitzt. 40 Aluminium oder der Aluminiumlegierung bringt, das

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch Ganze bei einer zwischen dem Schmelzbereich des gekennzeichnet, daß man bei Anwendung einer Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung und dem Aluminiumlegierung der im Anspruch 5 angegebe- Schmelzpunkt des Silbers liegenden Temperatur nen Zusammensetzung im Vakuum auf etwa 55O°C zusammenpreßt, so daß das Einbettungsmaterial zwierhitzt. 45 sehen und um die Fasern eindringt, und anschließend

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, so weit abkühlt, daß das Einbettungsmaterial erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß man so hoch erhitzt, Das Verfahren kann so durchgeführt werden, daß daß wenigstens ein Teil des Silbers sich mit dem man die Kohlenstoff-Fasern und Folien aus Alumi-Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung legiert. nium bzw. der Aluminiumlegierung in abwechselnden

50 Schichten übereinanderlegt und das Ganze dann in

einer Form in inerter Atmosphäre erhitzt.

Bei Anwendung einer Aluminiumlegierung der oben angegebenen Zusammensetzung erhitzt man vorzugs-

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus weise im Vakuum auf etwa 550°C.

Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit darin 55 In manchen Fällen kann man so hoch erhitzen, daß

eingebetteten Fasern aus Kohlenstoff und ein Verfah- wenigstens ein Teil des Silbers sich mit dem Aluminium

ten zur Herstellung eines solchen Werkstoffes. bzw. der Aluminiumlegierung legiert.

Bei der Raumfahrt und für Geschosse, Raketen Die so hergestellten Werkstoffe können dann in an

u, dgl. werden hitzebeständige Werkstoffe benötigt, die sich bekannter Weise in eine beliebige Form gebrecht

besondere physikalische Eigenschaften haben, wie 60 werden.

z. B. eine niedrige Dichte, eine hohe Festigkeit und eine Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausgute Steifheit. Solche Werkstoffe bestehen auch aus fuhrungsformen der Erfindung, zusammengesetztem Material. F i g. 1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen

Sehr vielversprechend für diesen Zweck sind Tex- Werkstoff;

tilien aus Kohlenstoff, da sie sehr hitzebeständig sind 65 F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Einzel·

und in allen handelsüblichen Formen erhältlich sind. faser eines Werkstoffes nach F i g. 1.

Bs ist bekannt, Verbundwerkstoffe aus Kohlenstoff· Die F i g. 1 zeigt einen erflndungsgemäßen Werk·

Textilien und Kunstfasern herzustellen. stoff 10 in rechtwinkliger Form, der aus parallel enge·