DE1941491A1

DE1941491A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstaerkten zusammengestetzten Stoffen

Info

Publication number: DE1941491A1
Application number: DE19691941491
Authority: DE
Inventors: Kreider Kenneth Gruber
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-08-14
Publication date: 1970-04-02
Also published as: GB1258673A; SE365555B; DE1941491B2; DE1941491C3; FR2030043B1; US3606667A; JPS4841810B1; FR2030043A1

Description

fotontanwälti _

Öipi.lng. F. Weickimnn,

bipf.lr.g.H.Veickmcf.n.Dipl.Phys.Dr.K.Fincki - tipi. Ing. F.A. IVsicknrisnn, Dipl. Cbem. B.Hul3ar

8 München 27, iSöhlStr.22 1941491

United Aircraft Corporation
400 Main Street .'

East "Hartford, Connecticut 06108
USA

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten zusammengesetzten Stoffen

Priorität: USA 763·?-78
Patentanmeldung vom 2J]. September 1968

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von faserverstärkten zusammengesetzten Stoffen und im besonderen aiif die Herstellung von faserverstärkten monomolekularschichtig zusammengesetzten Bändern, die durch Diffusion verbunden werden.

'Ss ist bekannt, dass Faserverstärkung die latente Möglichkeit zubedeutenden Verbesserungen in der Herstellung' von strukturell zusammengesetzten Stoffen liefert, die bestimmt sind, den sich aufdrängenden Forderungen- des Raumzeitalters nach Metallwaren gerecht zu werden. Die Idee der FaserverStärkung beruht auf der Tatsache, dass Stoffe, die in faserigem Zustand hergestellt werden, häufig einen höheren Elastizitätsmodul und eine grössere elastische Spannungsfähigkeit und folglich grössere Steifheit •und Festigkeit aufweisen, als die entsprechenden Stoffe in Massenher Stellung« Man hat in den letzten paar Jahren der Entwicklung von zusammengesetzten Stoffen mit strukturell hohem Modul gro33e Aufmerksamkeit gewidmet« Fortschritte sind gemacht worden in der Entwicklung von Fasern von grosser Festigkeit und hoher Qualität wie Bor und Siliziumkarbid zum Beispiel. Diese Fasern verbinden die hohe Festigkeit von Fiberglas mit einem hohen Jodul und legen die Durchführbarkeit der Herstellung von faserverstärkten Sboffen nahe, die e ne -grossere Ausgeglichenheit zwischen Festigkeit und Steifheit besitzen. Um diese Eigenschaf-

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tp-n auszunützen, ist es notwendig*, diese Pasern in einem mengesetzten Ge füge de^niR ssen zu verbinden, dass e ίη Bruch in mehreren Einzelfassrn sich nicht auf di3 umgebenden Fasern überträgt und ausserflem die Bels.stung mit sachgemässer Gleichmässigkeit über das ganze Faserbündel zu -verteilen. Ein Verfahren zum ; Erreichen dieses Resultates" besteht riarin, mehrere Schichten von gleichmässig verteilten-Fasern in eine KatrLzenmasse zu verschalen, die sich plastisch gestalten lässt. Die Herstellung von solchen zusammengesetzten Stoffen mit hohem Fodul, die eine grosse Festigkeit-im Verhältnis zur Dichte haben, "hängt von mehreren Grundfaktoren ab. " \ . . "-

Um strukturell wirksam zu sein, muss die Matrizenmasse grosse Festigkeit und grosse Streckungseigenschaften besitzen. Hohe Festigkeit ist erfordert, um.Spannungen zwischen Fasern weiterzuleiten, so dass unterbrochene Fasern von neuem belastet werden. Die plastische Spannungskapazität muss hoch genug-sein um Brüche unter schwerer lokalisierter Spannung zu verhindern, besonders an den Bruchenden der Fasern und zwischen Faserschichten.

Ausserdem müssen die ITebenspannungen in dem zusammengesetzten Stoff, die durch Unterschiede in" der Thermozusammenziehung zwischen der Faser mpA' der Matrize während der Abkühlung verursacht werden auf ein Findestmaes zurückgeführt werden. Man hat festgestellt, dass der Unterschied zwischen den Koeffizienten der Thermo aus dehnung von zum Beispiel Borfasern und einer Aluminiummatrizenmasse sich auf 0,5% Spannung beim Abkühlen von 204° 0 belaufen kann, wobei die Matrize unter ITebenspannung ist.

Ausserdem ist es iii einem faserverstärkten zusammengesetzten Stoff notwendig, dass die Fasern gleichmässig räumlich verteilt sind. um eine hohe Zugfestigkeit der Matrizenmasse und gleichmässige aussenachsige Eigenschaften zu erreichen» Einer der wichtigsten Faktoren, um eine gleichmässige-räumliche Verteilung zu bewerkstelligen ist die Beschaffung einer ebenen und glatten Wicklungsunterlage. Endlich, zwecks gewerbsmässiger Herstellung, muss ein Verfahren, das oben erwünschte Eigenschaften in der Praxis verwirklicht , geeignet sein, dieselben gleichmässig und stetig zu verwirklichen, so dass das Fabrikat höchst reproduzierbar sein . wird. - ■■;' · ,-' -', '-. . ■ ■ . " ,

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Eines der ausschlaggebenden Probleme der Herstellung von zusammengesetzten Stoffen mit grosser Festigkeit und hohem Modul" betrifft das eigentliche Verfahren zum Einbauen der Faser in das Matrizenmaterial, um das gewünschte.Endprodukt zu schaffen« Mehrere ältere technische Verfahren sind angewandt worder zwecks Herstellung von metallenen zusammengesetzten Matrizenstoffen* Diese begreifen solche Verfahren wie Durchtränken mit geschmolzenem Metall, Bedampfen, Galvanisierung, eutektische Erstarrung und Plasroa-Iiichtbogensi^ritzen. Ein Beispiel von letzterem Verfahren ist beschrieben in der Patentanmeldung, die am 19· Februar 1964 von Robert G* Cheatham und Joseph F. Cheatham unter der Registrierungsnummer 346.J58 eingereicht wurde. In dem genannten Verfahren wir 3 eine Vielzchl ν η Faserschichten in eine metallene Ilatr^ zenmasse eingebaut, indem die Faser oder eine Fasermette unmittelbar auf einem Spanndorn geordnet wird, vermittels Plasma-Lvchtbogenspritzen eine metallene Hatrizenmasse darauf gespritzt wird und anschliessend diese Wicklungs- und Spritzoperationen an _tieaer vorhergehenden zusammengesetzten . " Schicht aus Faser und Matrize so cit als erwünscht zu wiederholen. In anderen Worten, ein meh schichtiger zusammengesetzter Stoff wi'i-d erzeugt, indem man abwechselnd Faserschichten und metallene Matrizenschichten aufeinander schichtet.

Obschon die älteren technischen Verfahren zusammengesetzte Stoffe aus verstärkter Faser und metallener Matrize von grb'sserer Festheit im Verhältnis zur Dichte und grcsserem Modul im Verhältnis zu Dicntequot-i.er.ter. erzielter, so ist dcch die strukturelle Tauglichkeit der letzteren vermindert durch schwache Bindung zw L ε oh en zusammengesetzten Lager:, besonders dort wo die Faser einen grossen Bruchteil des Volumens bildet und durch Ansammlungen von '.ebenspaimungen, verursach*" durch verschr.eder.e Koeffizienten der durch lie 'Wärme bedingter-\AusaeJdr.ung für die Fasern find di-~ Matrize, äie schwer zu regeln sind \ιϊ bezug auf G-leichmässigkeLt und. Stärkegrade Ausserden Is^-C t,ie räumliche

v;elorie offer. ?i Ät lieh, entschei ier.d Lsx für t_lgkelT,. unrc-cslmässig, ;-;eil 5Le Ur.t-erlage ".".cat eber 1?~, naciician mehrere Schiciiien < Veb^rf ⁴--?r ." Ir.Λ di. älteren techr.iseheA

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Verfahren schwer weiterzuführen, wenn versucht wi -d, mehrschichtige zusammengesetzte Stoffe von komplizierter Form herzustellen,« da die Geschicklichkeit Einzelfasern zu solch einer Form mit dem erforderten Grad an Gleichmässigkeit zu' wickeln in hohem Masse begrenzt ist. Endlich, wenn es sich um gewerbsmässige Herstellung handelt, ist ein ernstes Problem der Reproduzierbarkeit mit obigen Verfahren verbunden, welches im Grunde von der Ungeschicklichkeit herrührt, sicherzustellen, dass die Fasern und lolglich die Matrizenmasse in derselben Lage, in derselben Menge.und in derselben Qualität für Jeues Stück zur Verwendung gelangt. Waren, ■die nach den obigen Verfahren hergestellt worden sind, tonnen ganz jm Gegensatz hierzu bedeutend voneinander abweichen in bezug auf ihre physikalischen Eigenschaften, trotz der peinlichst-en Beachtung der Verfahrenseinzelheiten.

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf faserverstärkte Arti- - ι

kel und insbesondere auf ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von solchen Artikeln., um ihnen, wie erwünscht, Höchstmass und Gleichmässigkeit der Faserfüllung zu geben und die Reproduzierbarkeit in-der Fabrikation von e nem Stück zum andern zu gewährleisten. Sie erv.^rägt öen Gebrauch von Fasern, wie zum Beispiel Bor, Siliziumkarbid oder Bor, das mit Siliziumkarbit überzogen ist und eine metallene Matrizenmasse wie zum Beisijiel . Aluminium oder Magnesium, um -einschichtige Bänder herzustellen, Welche leicht zu handhaben und in hohem Masse rer^roduzierbar sind. Die Bänder werden vorzugsweise in einem mehrschichtigen Gebilde zusammengeschlossen dessen Querschnitt von höchster Gleichförmigkeit ir.t.

Gemäss einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mehrschichtig zusammengesetzter Stoff hergestellt aus einer Mehrzahl von einschichtigen, nach dem -Plasma-Verfahren gespritzten Bändern, ""-wovon-" 3 ede ε -'auf einer unterlage unter gleichen Be-dingungen, .was'Spannung .ύήα Temperatur anbelangt, hergestellt wirn. Eine Ei.hzelfaser vrirc... spiralf ö-ninig um e'nen Spanndorn gewunden, der mit einer Metallfolie bedeckt und reohan.lsch ausdehnbar ist. Die "Faser" wird gleichmässig gespannt und bis 7-u einem ijn .voraus'bestimirteh"Grad' vore'rhitzt und *= ne metallene rfatrizenmasse wird aufgetragen"Vermittels Plasma-Lichtbogen- - ^.i^^" ^; 0098*4?/T3OHSr-* ' -

BAD

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spritzen. Die so erzeugten Bänder besitzen ausgezeichnete Eigenschaften was die Bindung zwischen laser und Matrize betrifft, · bieten dabei keine Anzeichen von Faserverschlechterung und werden vorzugsweise zu einem mehrschichtig zusammengesetzten Stoff von gewünschter lOcm gestaltet, indem die erforderliche Anzahl von Bändern in Lagen vereinigt und einem heissen Pressen unterworfen werden.

Vermittels dieses Verfahrens wird nicht nur das Herstellen von mehrschichtigen zusammengesetzten Stoffen mit strukturell hohem ;"■ Modul verwirklicht, sondern die so erzeugten Staffe besitzen .auch höhere Eigenschaften, die äusserst gleichmässig und höchst reproduzierbar sind. Das Verfahren ist einfach und wenig kost- · spielig und liefert räumlich genau verteilte Fasern mit einem Mindestmass von Restspannung In dem zusammengesetzten Stoff. Eine feste Bindung zwischen laser und Matrize ist ohne Schwächen-* der Faser erreicht, und das Produktionsverfahren infolge der einschichtigen Bänder als Zwischenprodukt, löst das Problem der HcCndhabung von Einzelfasern und ermöglicht, grosse und kompli- ' zierte Teile mit Leichtigkeit herzustellen. Da das genaue Volumenverhältnis von Faser und Matrize vor der Bandschichtungsoperation fortgesetzt werden kann, sind Abxveichungen In diesem Verhältnis infolge unvermeidbaren Veränderungen im Verfahren auf ein Mindestmass beschränkt. Als Resultat der vorliegenden technischen Erkenntnisse wird ein zusammengesetzte!-· Stoff mit 'metallener Matrize, von grosser Festigkeit und hohem Modul, in einer bisher nicht gekannten Art und Weise verwirklicht.

Andere Erfindungsgegenstände und Vorteile werden ersichtlich v/erden an Hand der Beschreibung und der Patentansprüche und mit Hilfe der begefügten Zeichnungen, welche eine Anwendungsform der Erfindung veranschaulichen, in welchen: ·

Figur 1 "ei.no Seitenansicht eines während der Herstellung des zusammengesetzten Stoffes gebrauchten Spanndorns ist; Figur 2 eine Seitenansicht, teilweise ein Querschnitt einer Plasma-Spritzkammer ist; .

Figur 5 die photographische Aufnahme, in lOOfacher Vergrösse-"rung,. eines zusammengesetzten Stoffes, dessen Fasergehalt 50/0 des Volumens beträgt,' ist.

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' — 6 -

. In den Zeichnungen, ~:or^:.n gleiche Ziffern gleiche Teile be zeich-~ aen, bezeichnet die Ziffer 10 einen hohlen, zylinderförmigen, ' diametrisch gespaltenen Spanndorn, der aus zwei halbzylinderförmigen Gegenstücken 12 und 14 besteht. Die Spanndoxnstücka sind zusammenbefestigt an ihrer Zwischenseite vermittels eines Scharnieres 16 an dem, einen Ende, und sind durch Drehung trennbar bis zu einem bestimmbaren Grad vermittels zwei Federn 18 und eines Sperriemens 20, die sich am entgegengesetzten Ende befinden. Der Riemen 20 ist mit einem Längsschlitz. 22 versehen, der

■ an das eine Ende stösst. Eine Flügelschraube 23, mit erweitertem Kopf, die in den Schlitz 22 passt, lässt sich betätigen, um den

. Spanndorn zu sperren, wenn die Fedez-n in entspannter Lage sind. Der Spanndorn 10 hat einen Durchgang 24-, der in Richtung der Zentralachse läuft, der eine zweckgerechte Antriebswelle (nicht dargestellt) aufnehmen kann, so dass der Spanndorn sowohl drehbar als in der Richtung der Achse beweglich ist.

Gemäss dem Verfahren der Erfindung, bei durch die Federn schräg nach auswärts gestellten Teilstücken, wird der Spanndorn in dieser offenen Stellung gesf^errt und ein ausgeviähltes Hetallfolienblatt wird einschichtig über die ganze zylindrische Fläche des Spanndorns gelegt, so dass es dieselbe glatt und gleich-. massig bedeckt. Um Faltenwerfung während der Herstellung au verhindern, soll die Folie vorzugsweise aus einem Material bestehen, das in bezug auf Wärmeverhalten dem Spanndorn angemessen ist, das heisst, es muss einen Ausdehnungskoeffizienten haben, der im wesentlichen derselbe ist wie derjenige des Spanndorns. Einer der wichtigsten Vorteile beim Gebrauch der Metallf-lie als 'Unterlagematerial ist die Tatsache, dass es die Verarbeitungsei-, genschaften des einschichtigen Bandes verbessert und ihm einen bedeutend höheren Grad an Zähigkeit gibt. Die Folie, wie später erklärt wird,-wird an die Fasern angepasst und in der Folge in das Matrizenmaterial eingebaut-werden. *'

Fasermatei^ial ökird euserwählt und in spiralförmigen Windungen, die eng anliegen und gleichmässig räumlich verteilt sind, um den Spanndorn gewiekelt. Dies kann bewerkstelligt werden durch Ziehen von kontinuierlicher Faser von einem Speisungsrad, Befestigen des Fas er ende s dicht an der Seite des Spanndorns und lie Lt en der*

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Faser*unter Vindungsspannung vermittels geeigneter Abwicklungsvorrichtuugeh während der Spanndorn dreht.. Der genaue Mechanis-

" mus, durch welchen die Faser auf die Folie gelegt wird, uird nicht als. Teil der gegenwärtigen Erfindung betrachtet, und Fach-

' leute auf dem Gebiete der Technik werden klar erkennen, dass es viele alternative Schemas gibt, um Fasern, dlu gespannt snd, auf "kollimative Art" um c'.nen Spanndorn zu './ickeIn-. Unter dem Ausdruck "kollimativ" ist eine Lage zu verstehen, in der enstossende Faserfäden regelmässig und gleichförmig räumlich verteilt sind, und e'ne solche, Anlage ißt ebenso anwendbar mit einer Einzelfaser, die spiralförmig um den S_Xirr.:xlorn gewundei: "wird, v/ie mit einer. ..Vielzahl von Fasern, die um den Spanndorn gewunden wexden und die in parallelen Ebenen liegen.

Κach Abschluss der Wicklung .wird, der Faden abgerissen und am Spanndorn befestigt, und der Sperriemen 20.wird freigesetzt. Der Spanndorn wird aladann in eine Plasma-Spritzkamme.? 26 gestellt, wo das Aufträgen-der metallenen Katrizenmaterialc yermitttls eines Plnsma-Lichtbogens 28 in einer Argon-Atmosphäre erfolgen kann. Vor dem Spritzen werden Si anndorn, Ketallfolio und gewickelte Fasern bis zu euur genügend hohen Temperatur vorerhitzt, um das Binden an die Matrize während des Spritzens sicherzustellen. Die..eigentliche Erhitzung wird" bewerkstelligt sowohl durch infrarote Beleuchtung wie durch den Plasma-Lichtbogen» In dem Falle von Aluminiumfolie erreicht man bei einer Temperatur von 240° C bis 316° C eine gute Bindung, indessen eine Temperatur unter 93° C iiichtaneinanderkleben zur Folge hat. Während des Spritzens wird der Spanndorn kreisen gelassen und Vor dem feststehenden Plasma-Lichtbogen in Stellung gebracht, m e'ne gleichmässige Schicht der ilatrizennasse zu erreichen» Veränderliche Grossen, die den Plasma—Strahl beeinflussen, sind die dem Lichtbogen zügeführte Kraft, die räumliche .Stellung und Grosse der Lichtbrgenelektrodeii und die Zusammensetzung und die StrÖ2iungsgesclv;i:-.".igkeit des Plasm"-jsses. Sr-ritzbeläge v/erder. gems.cht bei μΟ0-:"Ό0 Ampere, ?O-53 ToIt und ungefähr ^^—l·, 5 m*⁷ prc Stunde Argon STP. üusätslicli zu a'.esen veräiiderichen Grossen \iird der SpritzbeV-g beeinflusst durch Regelung der Geschwindigkeit der Puderspefsung, der Stellung ess Spsisungseinganges des

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Plasmas, der ,Grosseiigliedei'ung des Puders, des Lichtbogens' bezüglich, seine Entfernung zur Unterlage, der Beschaffenheit der Atmosphäre, die den austretenden Lichtbogenstrahl und die Unterlage umgibt und öex¹ Temperatur der Unterlage. Zusammengesetzte Stoffe werden bei einer massigen Geschwindigkeit der Speisung in bezug auf Sättigung gemacht (1,36 kg pro Stunde Metallpuder- ■ -spritzen) , der Pudereinlass soll in der Ionisiei-ungszone des _: Lichtbogens liegen, das kuglische Ketallpuder soll- eine Maschenweite von -24-0+4:00 entsprechOri, ein 10,6 zu 12,7 cm Lichtbogen betreffs die Entfernung zur Unterlege, eine Argon-Atmosphäre, eine Uiiterlagetemper^tur Von 204-° C - 316° C und eine relative Gesch'.finäigkeit' des Plasme-Lichtbogens in bezug auf die drehende Unterlage von 5,08 - 20,32 cm pro Sekunde. '

Das technische Verfahren und des- Plasma-Spritzen bewirkt nicht nur, dass die verschmelzenden Partikel des Matrizenmaterials die F&sern einschliessen und a ihnen heften, sondern gleichzeitig auch, dass der Spanndorn sich durch die Wärme ausdehnt, so dass er gegen die schiefen Seiten der Federn 18 drückt, was zur Folge hat, dass die Sparaidorrtells 12 und 14- sich scnliessen. Das mechanischeZusammenziehen des sich durch Wärmeeinfluss ausdehnenden οχε-nndöriiH boachrärJrt die- Veränderungen der Dehmingsbeanspruchung, denen £;.e Ft-serr. or-dernf-jllc unterworfen vairden, o.uf ein Eiiidestmass. ¥enn das Spritzen beendet i.st, /.jerdeh Band und Spanndorn auf Zimmert ferner ö tür abgekühlt, kürend, dieses Abldihlungsprozesses erfolgt d^T·- entgegengesetzte Ausgleichsbev/egung des Spsniiaorns. Der sich durch Wärmeentzug zusammenziehende Spanndorn wird mechanisch ausgedehnt durch dis in Tätigkeit tretenden Federn 18, so dass der Unterseili.-c .zwischen den Koeffizienten der Vavne a us dehnung der Faseri- und der Matrize ausgeschaltet wird... Alles in allem v/erden die Fasern keiner grösseren Spannung als G, 3>o bei der-Spritzteir.pfcz·'tür unter-./Gr-fen.

Lach dem Abkühlen -.-rird das einschichtige Β^;:.ηά τοία ST-anndo.r-rx durch Schr_eideii r,i.ch er-.-rtinschter Art und V.^reit%J^f)IΨ*&£-;<.<± kann zum Beispiel diagonal schräg abgetrennt v:erden," so dass es" ein flaches Band bildet, dessen Ausdehnungen durch Ereite und UiEf-.ng des Spanndorns gegeben sind, .oder abv/eciislungsweise in der Form einer Spirale, deren Breite kleiner ist tls die Weite des Spann*- — 0098 U/ 130 8

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dorns und deren Länge grosser ist als der Umfang des Spanndorns.

' 'Wenn das Band entfernt ist, wird es·vorzugsweise zusammen mit •anderen gleichartigen Bändern im allgemeinen einem zweiten Fabri-. ka.tionsverfahren unterworfen. Besonders die einschichtigen Bänder werden durch Diffusion gebunden vermittels heissem Pressen in nicht oxydierender Atmosphäre. Die Bänder werden in gewünschtex' Zahl aufgeschichtet, eines auf-das andere, zwischen Stahlplatten oder Pressformen und werden dann erhöhter Temperatur und Pressen unterworfen, bis die S¹OlIa in die gespritzte Matrize einverleibt und die erforderte Verdichtung erreicht ist.

Verschiedene Experimente wurden angestellt lim. die Tauglichkeit der oben beschriebenen Verfahren festzustellen. Einer der mehrschient igen Stoffe, die durch Diffusionsbindung von einschichtigen, mit dem Plasma gespritzten Bändern aus Aluminiummatrize und nit Slizrumkarbid überzogenen Borfasern (BOBSIC™^) gewonnen wux·de_; ist Ln der Figur 3, deren Fasergeha.lt 50>» de's Volumens beträgt. Die Photograph!e zeigt die ausgezeichnete Faserverteilung, dia vermittels des Verfahrens erreicht wurde. Während der techij.i.ochei.i Verwirklichung der Erfindung '.airde ein Spanndorn aus Aluminium von 15, ^A cm Vie it e und-50,80 cm im Durchmesser mit einem P^a-r Autoventilfedern ausgestattet, wovon jede eine Federkonstante von 16.065 kg/m hatte. Der Riemen 20 konnte so eingestellt werden, dass er den Spanndorn bei einer maximalen Tren-JjUUfOeiitforming von -~'0,64-cm sperrte. Aluminium und Magnesium wuz'el ei ι eis Ilatrizenstoffe zu verschiedenen Malen auf Fasern aus Bo,, Siliziumkarbid und auf Borfasern, die mit Siliziumkarbid UbOu-SO[Ve,! waren, t'ufgetu··-: gen. Es versteht sich von-selbst, dass jöettüitu 1, .;or.u: '.las Wort Aluminium oder das Wort . Magnesium hierin gebraucht v/Vd, e;j sich nicht nur auf das pure Metall bezieht, sojourn auch auf die respektiven Verbindungen mit Aluminium oder i'iL..{j^vj.jC3 ium al;.. Grundstoff. Die F'ser-, Matrizen- und Folienmate ·' ,.Lien, ö.'.e be¹, der Herstellung von zusammengesetzten Stoffen gob..· -licht wtirdoji, -s Lnd Ln Tabelle I tiufgeaeichnot.

BAD ORfGlNAL

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Λ Tabelle I -■""'■' - ■'■■ ■'-'./* ^; --■·' "-■"

Materialien für die Herstellung von zus ammenge set ζ t ©a' St off©ze-

Durchs chnitt-r

	Modul	liehe	Legierung zerstäubt 0.5% Si, BaI Al)	4.22 29.9OO 35.200	_guelle
		Legierting zerstäubt BaI Al).	-.22 299OO 35.200	United Air craft Re search Labs
	Höchstzug-.,	Legierung zerstäubt BaI Al)	I9.3OO 28.100	UARL
Faser	festigkeit· Bezugs-	Legierung zerstäubt 3.0% Gu, BaI Al)	Grossenklasse	UAEL
Bor	' r~· s^ 'J* Durchmesser 10 kg/cm kg/cm	Legierung zerstäubt	.15-44 Mikron	Bezugsquelle
Bor ait 2,5**. bis 3,-uSiC Ueberzug (BORSI	99.1 - 104.1,4.3.87 -	Tyj)	-270+400 iiaschenweite	Thermal Dynamic s
SiG * .	99.1 104.1k, 3.87-4	ausgeglüht - ausgeglüht	-27O+4OO Kaschenvreite	Reynold's Metal Go0
Metallpuder .	68.58-83.82^ 3.52		-I7O+4OO haschenweite	Alcoa
	Tpj/;	hart	-170+400 Maschenvreite	Reynold¹s Hetals Co.
	1100- /Gewerbsmässiges kugelig pures Aluminium	-200+400 Maschenvjeite	Reynold's Hetals Go.
6061 Aluminium (1.0% Mg,	Dicke tu	Valley Metal lurgical Pro cessing Go.
2024 Aluminium (4.5% Gu,	Bezugsquelle
360 Aluminium (9.0% Si,	25.4 "Kitchen Wrap" · 25.4-76.2 Reynolds
390 Aluminium (8.0% Si,	25.4-5O.8 Alcoa
Magnesium	25.4
Metallfolie
HOO¹ 6061
713
1145

Bedeutende Fortschritte in der Herstellung wurden vollbracht, wenn man beim Verfahren Plasma gespritztes Aluminitunlegierungspuder 6061, BORSIG Faser und eine 25*< dicke Folie aus der Aluminiumlegierung 1145 gebraucht. Zusammengesetzte Stoffe wurden auch hergestellt aus lESliziumkarbidfaser und Borfaser« Man strellte fest, dass bei der Verwendung einer Folie aus der AIu-

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miniumlegierung 1145 in völlig gehärtetem Zustand eine bessere • Regulierung der Qualität des zusammengesetzten Bandes gewährleistet wurde· Die soeben erwähnte Folie erhöht, wenn sie in völlig gehärtetem Zustand ist, die Flachheit und Glätte und die Leichtigkeit der Herstellung des mit Plasma gespritzen einschichtigen Bandes. Zusammengesetzte Stoffe von guter Qualität mit· derλ- 58,4/ dicken Legierungsfolie 6061 und von der 25/* dicken nochmals gewalzten Legierungsfolie 6061. Die Verwendung der letzten Folie ermöglicht die Herstellung von zusammengesetzten Stoffen, deren Fasergehalt ξ>0% des Volumens haben.

In einem Forschungsversuch wurden Bänder aus BORSIO (Nominaldurchmesser 101,6 λΟ in ^~470 Umwicklung en/cm auf eine Folie ,von 25/* Dicke aus Aluminiumlegierung 1145 gewickelt und mit einer Matrize aus Aluminiumlegierung 6061 gespritzt. Die Bänder wurden in einer Argon-Atmosphäre heiss gepres'st während einer Stunde bei einer Temperatur von 500° 0. 550° 0 und 600° 0 bei Presse-

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stärken vonr~3-52 bis 471 kg/cm . Die ursprüngliche Dicke der Bänder vor der heissen Pressung betrug 246/* bei einer Banddichte von 0,8 gr/cm^. Der Gegenwert der Zusamme npr es sung betrug 101., 6 m pro Schicht. Bei 600° 0 betrug der Grenzpunkt der Pressung 56,2 kg/cm für völlige.Zusammenpressung,- in dem bei 550° C der

Pressungsgrenzpunkt ungefähr 366 kg/cm betrug. Aebnliche Resultate, die erreicht τ,-nirde-n, wenn das heisse Pressen in einem Vakuum erfolgte und die Verwendung von eifcweder Argon oder Vakuum sind weit besser als heisses Pressen in der Luft, welches uner-

• wünschte Oxydation zur Folge hat.

Dasselbe Heisspressverfahren wird angewandt_r um Bänder aus Bor-

faser und Aluminiumlegierungsmatrize fest zusammenzubinden. Bei 560° 0 indessen ergibt sich eine beträchtliche Schwächung der Borfaser. Fasern, die aus dem zusanmengesetzten Stoff mit verdünnter Salzsäure entnommen wurden, zeiger eine Schwächung der Durchschnittsfestigkeit von 35,700 bis 9.140 kg/cm , und drei

zusammengesetzte Stoffe sind schwach (5,480 kg/em. >bei einem

' ο

• Borgehalt von 41%) . Bei 490 G tritt auch eine bedeutende Verschlechterung in den'Fasern .ein (ungefähr 2.y/o) , und die zusammengesetzten Stoffe besitzen bei weitem nicht so hohe Festigkeit sgrade wie diejenigen, die bei niedrigeren Temperaturen heiss

.- 12 -

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gepresst werden. Bei einer Temperatur von 400 G und einem

2
Pressen mit 703 kg/cm erreichen Bänder aus Bor. und Aluminium .

nicht ihre vollständige Verdichtung, und die Matrize ist etwas

ρ
brüchig. Ein Pressen von 703 kg/cm jedoch führt zu völliger

Verdichtung. " ·

Diffusionsbindung durch heisses Pressen zeigt die praktischen Vorzüge — besonders in d^m Falle, wo grössere Gefüge von zusammengesetztem Stoff hergestellt werden Pollen - die Verwendung der 'höchsten Temperatur, die mit der Bewahrung von erxtfünschten Fasereigenschaf^en vereinbar ist, denn je höher die Temperatur, je niedriger die zur völligen Verdichtung notwendige Pressung» ' ·

Verschiedene zusammengesetzte,Stoffe, c.ie nach dem vorhergehenden Einschichtver·fahren hergestellt worden waren, wurden einer Bewertung bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften unterworfen,. Ergebnisse in Tabelle II verzeichnet sind. - - '

Tabelle II ;

Mechanische Eigenschaften

von
Aluminium Matrizegegeben mit bevorzugter Richtung

Volumen

Höchste

Reissfes- Poisson
tigkei,t Konstante

Reis s ^! Modul

Faser Matrize* 10■ >rr/cE kg/c¹"^ _ _ ->*

39/0 B 1100/1100 1.66 9.210

Folie 9.550

yy^ SiC ^061/114-5 1.85 • Folie

ESiO560/T100

1.80

4&r/ö-BSiG6061/1100 1.92 Folie

47/i

2.22

' Folie.

3% BSiO -390/UC-O- -2.21 ■ Folie

6.260

7.520 7.I7O 7.730

9.49O

IO.9OO·

10.900 ε. 090

.227

. 225

«250

Bruch-

bean-

spru-

chung

Ο.ΟΟ51

0.0029 0.0036

0.0042

Ο.ΟΟ53

0.0037 Ο»0043

0098U/1308

BAD

- Γ6 -

35^	50%	BSiG 390/1100 Folie	2.00 2.19	. 8.370 7.O3O
%4	52%	BSi06061/1100		13.000
365 "	.50*	BSiC60ö£/l?00 . Folie		12.300
392	50%	BSiG 6061/1100 Folie	2.21 2.14 2.17	Ii.270 11,800 10.340

Ό.0039 0.0035

0.0053 0.0058 Ο«0051

-*■ 6061/1100 Folie gibt das Plasma 6061an, das auf die Folien legierung UOO. gespritzt wurde
. * an der Luft gespritzt

Während die Tabelle II eine recht grosse Reibe von Eigenschaften enthält, die als ein Ergebnis der ausgewählten Materialien zu
werten sind, liegt ein vielleicht viel bedeutenderes Merkmal des' Einschicht-band-Verfahrens in den zugkräftigen Eigenschaften
betreffs Reproduzierbarkeit, die dem Verfahren eigen sind. Die
Tabelle III gibt die Reproduzierbarkeit der Festigkeit von Probemustern von zusammengesetzten Stoffen an, die durch das Einschichtband-Verfahren standardisiert worden sind.

Tabelle III

Reissfestigkeit von

aus BORSIC-Aluminium zusammengesetzte
Stoffe (50% Borsic) von 2,54 cm Normallänge

	E-I	Höchste	Muster	1-1	Höchste
	-2	Reiss^estigkeit	No	_2	Reissfestigkeit
Muster	-3	kg/cm²	390	-3	kg/cm²
N<	K-I	11.600		N-I	11. ITO
389	_2	10!4OO		_2	11.800
	-'6	10.200	390	*-⁷I*	12.200
	A-I	II.27O		-I	9.840
389	-2	II.27O		-2	9.830
		10.200	393	-3 '	10.130
	-4	I2.9OO		G-I	II.27O
390	G-I	10.640		-2	13.330
	-2	11.530	395	-3	12.200
	-3	II.27O		-4	11c 270
	-4	II.27O		-1	10.430
^90	R¹-!	9.420		-2	10.640
	—2	11.200	4P-3	— "5	10.900
	-3	11.200		-4	12.440
	. -4	. 12.840			11.400
390	10.800		12.630
	11.400		11.930
	11.400

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Die Messwerte, die in der Tabelle III enthalten sind, stimmen von der Herstellung standardisierter zuFamraeneeRetzter Stqf£e, die-5O%-Borsi-c lasern, eine Matrize aus Folie 114-5 mit Plasma gespritztes Puder 6G61 enthielten. Die Messwerte * zeigen an, dass" 80% der Werte in der Reihe 11,200 kg/cm² _+ 10% fallen. ' ^"-"'"■■·.·-

In einem Forschungsversuch wurde BORSIO Faser, von-- 10Q/^Dur,ch~. -.. messer auf einer Legierungsfolie 6061 von 25,4/j Dicke ar einem .. ,. Spanndorn von 50,8 cm gewickelt, 0,3% vorgedehnt. (12,700 kg/cm ). vorerhitzt auf 204° C und Plasma gespritzt bei 204° 0 - 260° C (Temperatur der Unterlage) mit Puder 6061, bis 60% des Volumens , an Faser erreicht waren. Acht Schichten des Bandes wurden.heiss gepresst bei 450° G und 352 kg/cm während einer Stunde in einem zusammengesetzten Stoff mit bevorzugter Richtung. Die durch-

■ ~" '■"■■ 2 ' '

schnittliche Reissfestigkeit (4 Versuche) betrug 12,700 kg/cm und der mittlere Längsmodul 2,78 χ 10 kg/cm .

Die gegenwärtige Erfindung beschränkt sich nicht auf Aluminium - als Matrizenmaterial. In einer Reihe von Versuchen werden Bor— fasern um den Spanndorngewickelt, bis zu 204° 0 vorerhitzt, 0,3%

vorgedehnt (12,700 kg/cm²) und bei 204° 0 - 260° G Plasma ge_r ■spritzt mit 90% Mg-10% Al Puder, bis 50% des Volumens an laser ,

-erreicht waren. Acht Lagen eines Solchen Bandes wurden heiss : gepresst bei 400° G und 281 kg/cm während einer Stunde in einem zusammengesetzten Stoff mit bevorzugter Richtung. Die Durch- ·

■ 2

schnittsreissfestigkeit (6 Versuche) betrug 12,300 kg/cm und:der

6 2
mittlere Längsmodul 2,25 χ 10 kg/cm . :

Es ist offensichtlich, dass in der technischen Verwirklichung der vorliegenden Erfindung mehrere andere Veränderungen vorgenommen werden können. Man hat zum Beispiel klar erkannt, dass Plasna-Spritzen auch in der Luft ausgeführt werden kann, um ein einiacheres und wenig kostspieliges Verfahren zu fördern. Zusammengesetzte Stoffe aus in der Luft gespritzten Bändern xvurden durch Diffusion zusammengebunden bis zu einer Dicke von 20 Schichten. Man hat keinen bedeutenden Unterschied festgestellt in den mikroskopischen Strukturen dieser zusammengesetzten Stoffe im Vergleich zu Jenen, die in Argon gespritzt wurden, Man hat auch festgestellt, dass die Eigenschaften dieser in der Luft gespritzten zusammengesetzten Stoffe fast gleichwertig sind mit den

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Eigenschaften der in Argon gespritzten Stoffe.

Es ist also klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Herstellung von.faserverstärkten zusammengesetzten Stoffen mit bevorzugter- Richtung beschränkt ist. Die Herstellung von zusammengesetzten Stoffen mit einschichtigen nach mehreren Richtungen kreuzgefachten Bändern wurde auch ausgeführt. Die Festigkeit in einer verstärkten Richtung in solchen zusammengesetzten Stoffen

2
kommt 22,500 kg/cm mal dem Volumenbruchteil der Faser in jener

Richtung gleich. .

Man wird rasch erkennen, dass vermittels der hierin beschriebenen Verfahren faserverstärkte Waren mit sorgfältig kontrollierter Dichte schnell und reproduzierbar hergestellt v/erden können. Obschon.die Erfindung mit Bezug auf spezifische Beispiele Fabrikationsparameter und Materialien beschrieben worden ist, sollen diese Verwirklichungen und Bedingungen doch nur erläuternden '■ Charakter haben. Verschiedene andere Abänderungen und Möglichkeiten als jene, die schon erwähnt wurden, werden rasch von denerterkannt werden, die in der Technik bewandert sini, und diee im wahren Geist und in Rahmen der Erfindung und genäss den beige- ; fügten Patentansprüchen* " f

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Claims

.1.) Ein Verfahren zur Herstellung eines strukturellen Stoffes aus metallener Matrize und verstärkten Fasern durch Plasma-Lichtbogenspritzen von verschmelzendem metallenem Matrizenmaterial auf die Fasern, gekennzeichnet durch die Wicklung einer Faser unter.Spannung, in eine spiralförmige, kollimative Einzelschicht auf einen Spanndorn, das Auftragen des metallenen Matrizenmaterials in verschmelzender Form auf die Fasern vermittels Plasma-Lichtbogenspritζen, um die Fasern einzuverleiben und ein einschichtig zusammengesetztes Band damit.zu bilden, das Bewahren, des Spanndorns vor Ausdehnung, so dass die Fasern ,keiner grosseren Zugbeanspruchung als 0,3% ausgesetzt"sind, die ans Chilessende Entfernung des Bandes vom Spanndorn.
2. Ein Verfahren nach Anspruch- 1,. worin der Spanndorn mit einem Metallfolienblatt vor der Faserwicklung bedeckt ist.
3. Ein Verfahren zur Herstellung eines- strukturellen Stoffes aus metallener Matrize unü verstärkten Fasern durch " Plasma-Lichtbogenspritzen von verschmelzendem metallenem Matrizenmaterial auf die Fasern nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Legen des Metallfolienblattes in glatter und flacher Art auf den Spanndorn, das Wickeln der Faser, unter Spannung, in einer/ spiralförmigen, kollimativen Einzelschicht auf das Metallfolienblatt, das Auftragen des metallenen Matrizenmaterials, um die Fasern einzuverleiben und ein einschichtig zusammengesetztes Band'zu bilden, und die ans chli'es sende Entfernung des Bandes vom Spanndorn.
4·. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, worin der Spanndorn federbelastet ist, so dass bei Spritztemperatur die Faser .keiner grosseren Zugbeanspruchung als 3% unterworfen ist.
.5· Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, worin die^ Metallfolie und der Spanndorn gleiche Ausdehnungskoeffizienten haben.
6. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, begreifend die. . gemeinsame Bindung durch Diffusion einer Mehrzahl von Bändern zu Schichten. ■

0 0 9 8 1. A / 1 3 0.8

^ ν- ·■■■■■ SAD

. I₇ _" 194U91
7» Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-3<> worin der Spanndorn vor erhitzt wird bis zu einer Temperatur von 204° - . '
8. ■ Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1-3» worin der Spann- dorn zu einer genügend hohen Temperatur vorerhitzt wird, um das Anheften der Folie an den'Fasern zu bewirken.
9. Ein Verfahren zur Herstellung eines strukturellen Stoffes aus metallener Matrize und verstärkten Fasern durch Plasma-Lichtbogenspritzen von verschmelzendem metallenem Matrizenmaterial auf die Fasern nach den Ansprüchen 1-8 begreifend das Umhüllen des Spanndorns mit einer Schicht von Metallfolie, das Winden einer Faser in einer spiralförmigen kollimativen Einzelschicht auf die Folie, das Vorerhitzen des Spanndorns bis zu einer genügend hohen Temperatur, um das Binden zwischen Folie, Faser und Matrize während des Spritzens zu bewirken, das Auftragen der metallenen Matrize in verschmelzender Form auf die Fasern durch Plasma-Lichtbogenspritzen, um die Fasern.einzuverleiben und, mit- der Folie zu einem einschichtig zusammengesetzten Band und das Abkühlen des so hergestellten Bandes und seine Entfernung von dem Spanndorn.
10. Ein Fabrikat nach Anspruch 1, in welchem die zu windende Faser &tis einem Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Bor, Siliziumkarbid und Bor, das mit Siliziumkarbid überzogen ist, besteht.
11. Ein Fabrikat naGh Anspruch 8, worin das Matrizenmaterial aus Aluminium besteht.
12. Ein Fabrikat nach den Ansprüchen 8-9, worin das Matrizenmaterial aus Magnesium besteht.
13. Ein Fabrikat nach den Ansprüchen 8-10, worin das material aus Aluminium besteht-.
14. Ein Fabrikat nach den Ansprüchen 8-11, worin das Spanndornmaterial aus Aluminium besteht.

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