DE1942170A1

DE1942170A1 - Verfahren zur Herstellung von faserverstaerkten zusammengesetzten Stoffen

Info

Publication number: DE1942170A1
Application number: DE19691942170
Authority: DE
Inventors: Kreider Kenneth Gruber
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-09-27
Filing date: 1969-08-19
Publication date: 1970-06-25
Also published as: FR2018986A1; US3596344A; FR2018986B1; GB1258672A; SE365554B; DE1942170B2; DE1942170C3

Description

Patentanwltt·
Dipl. Ing. F. Welckmr.nr,,
DIpI. Ing. H. Ii 'elckirann, Dip!. Ffcys. D,.K.Ftocka
Dipünß. F^ Weidmann, Dipl. CIm B. Hu&er T942170

Unitil^üÄ$a¥TOrporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut, U.S.A.

Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten zusammengesetzten Stoffen,

Priorität: Vereinigte Staaten von .Amerika Patentanmeldung vom 27· September 1968

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von faserverstärkten zusammengesetzten Stoffen und im besonderen auf die Herstellung von faserverstärkten, mehrschichtigen zusammengesetzten Stoffen durch Wicklung mit an'schli es sender Vorhitzung und Plasma-Lichtbogenspritzung, gefolgt von einer sekundären thermischen Behandlung, welche die Dehnbarkeit und die Festigkeit der Matrize erhöht.

Es ist bekannt, dass FaserνerStärkung die latente Möglichkeit zu bedeutenden 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 Massenherstellung. Man hat in den letzten paar Jahren der Entwicklung von zusammengesetzten Stoffen mit strukturell hohem Modul grosse Aufmerksamkeit gewidmet und 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 Modul und legen die Durchführbarkeit der Herstellung von faserverstärkten Stoffen nahe, die eine grössere Ausgeglichen-

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heit zwischen Festigkeit und Steifheit besitzen. Uk diese Eigenschaften auszunützen, ist es notwendig, diese Pasern in einem zusammengesetzten Gefüge dermassen zu -verbinden, dass ein Bruch in mehreren Einzelfasern sich nicht auf die umgebenden Fasern überträgt und ausserdem die Belastung mit sachgemässer Gleichmässigkeit über das ganze Faserbündel zu verteilen. Ein Verfahren zum Erreichen dieses Resultates besteht darin, mehrere Schichten von gleichmässig verteilten Fasern in eine Matrizenmasse zu verschalen, die sich plastisch gestalten lässt. Die Herstellung von so'lchen zusammengesetzten Stoffen mit hohem Modul, 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 Nebenspannungen in dem zusammengesetzten Stoff, die durch Unterschiede in der Thermozusammenziehung zwischen der Faser und der Matrize während der Abkühlung verursacht werden auf ein Mindestmass zurückgeführt werdei. Man hat . festgestellt, dass der Unterschied zwischen den Koeffizienten der Thermoausdehnung von zum Beispiel Borfasern und einer Aluminiummatrizenmasse sich auf 0,5% Spannung beim Abkühlen von 204° C; belaufen kann, wobei die Matrize unter JFebenspannung ist.

Ausserdem ist es in einem faserverstärkten zusammengesetzten Stoff-notwendig, dass die Fasern gleichmässig räumlich verteilt sind, um eine hohe Zugfestigkeit der Matrizenmasse und gleichmassige 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 verwirkliche^

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- 3 so dass das Fabrikat höchst reproduzierbar sein wird.

Einer 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 worden zwecks Herstellung von metallenen zusammengesetzten Matrizenstoffen. Diese begreifen solche Verfahren wie Durchtränken mit geschmolzenem Metall, Bedampfen, Galvanisierung, eutektische Erstarrung und Plasma-Lichtbogenspritzen. 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 U.S.A. 546.338 eingereicht wurde. In dem genannten Verfahren wird eine Vielzahl von Faserschichten in eine metallene Matrizenmasse eingebaut, indem die Faser oder eine Fasermatte unmittelbar auf einem Spanndorn geordnet wird, vermittels Plasma-Lichtbogenspritzen eine metallene Matrizenmasse darauf gespritzt wird und anschliessend diese Wicklungsund Spritzoperationen an jeder vorhergehenden zusammengesetzten Schicht aus Faser und Matrize so oft als erwünscht zu wiederholen. In anderen Worten, ein mehrschichtiger zusammengesetzter Stoff wird erzeugt, indem man abwechselnd Faserschichten und metallene Matrizenschichten aufeinander schichtet.

Obschon die alteren technischen Verfahren zusammengesetzte Stoffe aus verstärkter Faser mit metallener Matrize von grösserer Festheit im Verhältnis zur Dichte und,grb"sserem Modul im Verhältnis zu Dichtequotienten erzielten, so ist doch die strukturelle Tauglichkeit der letzteren vermindert wo die Faser einen grossen Bruchteil deö Volumens bildet und durch Ansammlungen von Nebenspannungen, verursacht durch verschiedene Koeffizienten der durch die Wärme bedingten Ausdehnung für die Fasern und die Matrize, die schwer zu regeln sind in bezug auf Gleichmässigkeit und Starkegrad. Ausserdem ist die räumliche Anordnung der Faser, welche offensichtlich entscheidend ist für die ausserachsige Festigkeit, unregelmässig, weil die Unterlage für die Faserwicklung nicht eben ist, nachdem mehrere Schichten aufgebaut worden sind, üeberdies sind"die älteren technischen Verfahren

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schwer weiterzuführen, wenn versucht wird, mehrschichtige zusammengesetzte Stoffe von komplizierter Form herzustellen, da die Geschicklichkeit Einzelfsern 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 Verfahiei verbunden, welches im Grunde von der Ungeschicklichkeit herrührt, sicherzustellen, dass die Fasern und folglich die Matrizenmasse in derselben Lage, in derselben Menge und in derselben Qualität für jedes Stück zur Verwendung gelangt. Waren, die na.rch den obigen Verfahren hergestellt worden sind, können ganz im Gegensatz hierzu bedeutend voneinander abweichen in bezug auf ihre physikalischen Eigenschaften, trotz der peinlichsten Beachtung der Verfahrenseinzelheiten. .

Die gegenwärtige Erfindung bezieht siZch auf faserverstärkte Artikel 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 einem Stück zum andern zu gewährleisten. Sie erwägt den Gebrauch von Fasern, wie zum BeispieJ. Bor, Siliziumkarbid oder Bor, das mit Siliziumkarbid überzogen ist und eine metallenen Matrizenmasse wie zum Beispiel Aluminium oder Magnesium, um mehrschichtige zusammengesetzte· Stoffe herzustellen, welche leicht zu handhaben und in hohem Masse reproduzierbar sind.

Gemftss einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein mehrschichtig zusammengesetzter Stoff hergestellt aus einer Mehrzahl von einschichtigen, zusammengesetzten Stoffen, die nach dem Plasma-Spritzverfahren, welche in Aufeinanderfolge, das heis|rt eine nach der anderen unter wesentlich gleichen Bedingungen mit Bezug auf Dehnung und Temperatur hergestellt werden. Eine Einzelfaser wird spiralförmig um einen Spanndorn gewunden, der mit einer Metallfolie bedeckt und mechanisch ausdehnbar ist. Die Faser wird vorgedehnt, der Spanndorn, bis zu einem in voraus be- stimmten Grad vorerhitzt und ein metallener Matrizenstoff wird durch Lichtbogenspritzen aufgetragen. Der so hergestellte einschichtige zusammengesetzte Stoff, der ausgezeichnete Bindungseigenschaften in bezug auf Bindung von Faser und Matrize besitzt ■■"..■■ . ■■; 0 0 9 826/1 h2$

und kein Anzeichen von Faserverschlechterung aufweist, wird als Unterschicht für die Herstellung eines zusätzlichen einschichti- ~gen zusammengesetzten Stoffes, welcher seinerseits als Unterschicht für den folgenden zusammengesetzten Stoff dient. Nach Beendigung der Wicklung an jeder Unterschicht und vor der Metallspritzung wird jede Unterschicht vorerhitzt. Schliesslich wird der so hergestellte mehrschichtig zusammengesetzte Stoff einer Heisspressung in nicht oxydierender Atmosphäre unterworfen.

Vermittels dieses Verfahrens wird nicht nur das Herstellen,von mehrschichtigen zusammengesetzten Stoffen mit strukturell hohem Modul verwirklicht, sondern die so erzeugten Stoffe besitzten auch höhere Eigenschaften. Das Verfahren ist einfach und wenig kostspielig und liefert räumlich gut verteilte Fasern bei einem Minimum von Febenspannungen im zusammengesetzten Stoff. Eine starke Bindung wird sowohl zwischen Faser und Matrize als auch zwischen Matrize und Matrize verwirklicht, und dies ohne Verschlechterung der Faser. Als !Resultat der vorliegenden technischen Erkenntnisse wird ein zusammengesetzter 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 werden an Hand der Beschreibung und der Patentansprüche und mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen, welche eine Anwendungsform der Erfindung veranschaulichen, in welchen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines während der Herstellung des zusammengesetzten Stoffes gebrauchten Spanndorns ist; und

Figur 2 eine Seitenansicht," teilweise ein Querschnitt einer Plasma-Spritzkammer ist. .

In den Zeichnungen, worin gleiche Ziffern gleiche Teile bezeichnen, bezeichnet die Ziffer 10 einen hohlen, zylinderförmigen, diametrisch gespaltenen Spanndorn, der aus zwei halbzylinderförmigen Gegenstücken 12 und 14 besteht. Die Spanndornstücke 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 hat einen Längsschlitz 22, der an das eine

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Ende stösst. EineFlügelschraube 23, mit erweitertem Kopf, die in den Schlitz 22 passt, lasst sich betätigen, um den Spanndorn zu sperren, wenn die Federn in entspannter Lage sind. Der Spanndorn 10 hat einen Durchgang 24, der in Richtung der Zentralachse läuft, der eine zwecksgerechte 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 gesperrt und ein ausgewähltes Metallfolienblatt wird einschichtig über die ganze zylindrische Fläche des Spanndorns gelegt, so dass es dieselbe glatt und gleichmassig bedeckt. Um Faltenwerfung während der Herstellung zu verhindern, soll die Folie vorzugsweise aus einem Material bestehen, das in bezug auf Wärme ν erhalten 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 Metallfolie als Unterlagematerial ist die Tatsache, dass es die Verarbeitungseigenschaften des mehrschichtig zusammengesetzten Stoffes verbessert und ihm einen bedeutend höheren Grad an Zähigkeit gibt. Wie in der Folge erklärt wird, wird zuerst bewirkt, dass das Blatt an dem Matrizenstoff, der nach dem Plasma-Spritzverfahren aufgetragen wird, haftet und sich dann mit demselben vermischt.

Fasermaterial wird aus erwählt und in spiralförmigen Windungen, die eng anliegen und gleichmässig räumlich verteilt sind, um den Spanndorn gewickelt. Dies kann bewerkstelligt werden durch Ziehen von kontinuierlicher Faser von einem Speisungsrad, Befestigen des Faserendes dicht an der Seite des Spanndorns und Leiten der Faser unter Windungsspannung vermittels geeigneter Abwicklungs-r vorrichtungen während der Spanndorn dreht. Der genaue Mechanismus, durch welchen die Faser auf die Folie gelegt wird, wird nicht als Teil der gegenwärtigen Erfindung betrachtet, und Fachleute auf dem Gebiete der Technik werden klar erkennen, dass es viele alternative Schemas gibt, um Fasern, die gespannt sind auf "kollimätive Art" um einen Spanndorn zu wickeln. Unter dem Ausdruck "kollimativ¹¹ ist eine Lage zu verstehen, in der anstossende Faserfäden regelmässig und gleichförmig räumlich verteilt

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sind, und eine solche Anlage ist ebenso anwendbar mit einer Einzelfaser, die spiralförmig um. den Spanndorn gewunden werden und die in parallelen Ebenen liegen.

Nach Abschluss der Wicklung wird der Faden·abgerissen und am Spanndorn befestigt, und' der Sperriemen 20 wird freigesetzt. Der Spanndorn wird alsdann in eine Plasma-Spritzkammer 26 gestellt, wo das Auftragen der metallenen Matrizenmaterials-vermittels eines Plasma-Lichtbogens 28 in einer Argon-Atmosphäre erfolgen kann. Vor dem Spritzen werden Spanndorn, Metallfolie und gewickelte Fasern bis zu einer genügend hohen Temperatur vorerhitzt, um die Bindung der Matrize an das Blattmetall und an die Faser mit Sicherheit zu bewerkstelligen. 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 240⁰C bis 360° C eine gute Bindung, indessen eine Temperatur unter 93° C Nichtaneinanderkleben zur Folge hat. Während des Spritzens wird der Spanndorn kreisen gelassen und vor dem feststehenden Plasma-Lichtbogen in Stellung gebracht, um eine gleichmässige Schicht der Matrizenmasse zu erreichen. Veränderliche Grossen, die den Plasma-Strahl beeinflussen, sind die dem Lichtbogen zugeführte Kraft, die räumliche Stellung und Grosse der Lichtbogenelektroden und die Zusammensetzung und die Strömungsgeschwindigkeit des Plasma-Gazes. Spritzbeläge werden gemacht bei 400-500 Ampere, 30-35 Volt und 3i96-4,53 m pro Stunde Argon STP. Zusätzlich zu diesen veränderlichen Grossen wird der Spritzbelag beeinflusst durch Regelung der Geschwindigkeit- der Puderspeisung, der Stellung des Speisungseinganges des Plasmas, der GrÖssengliederung des Puders, des Lichtbogens bezüglich seine Entfernung zur Unterlage, der Beschaffenheit der Atmosphäre, die den austretenden Lichtbogenstrahl unddie Unterlage umgibt und der Temperatur der Unterlage, Zusammengesetzte Stoffe werden bei einer massigen Geschwindigkeit der Speisung in bezug auf Sättigung gemacht (1,36 kg pro Stunde Metallpuderspritzen), der Pudereinlass soll in der Ionisierungszone des Lichtbogens liegen, das kugelige Metallpuder soll eine Maschenweite von -240+400 entsprechen, ein 10*6 zu 12,7 cm Lichtbogen betreffs die Entfernung zur Unterlage, eine Argon-Atmosphäre, eine Unterlagetemperatur von 204° C - 316° C und eine

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relative Geschwindigkeit des Plasma-Lichtbogens in bezug auf die drehende Unterlage von 5»08 - 20,32 cm pro Sekunde.

Das technische Verfahren des Vorhitzens und das Plasma-Spritzen bewirkt nicht nur, dass die verschmelzenden Partikel des Matrizenmaterials die Fasern einschliessen und an ihnen heften,sondern gleichzeitig auch, dass der Spanndorn sich durch die Wärme ausdehnt, sodass er gegen die schiefen Seiten der Federn 18 drückt, was zur Folge hat, dass die Spanndornteile 12 und 14-sich schliessen. Das mechanische Zusammenziehen des sich durch Wärmeeinfluss ausdehnenden Spanndorns beschränkt die Veränderungen der DehnungsbeahspruchunSg, denen die Fasern andernfalls unterworfen würden, auf ein Mindestmass. Wenn das Spritzen beendet ist, werden Band und Spanndorn auf Zimmertemperatur abgekühlt, während dieses Abkühlungsprozesses erfolgt die entgegengesetzte Ausgleichsbewegung des Spanndorns. Der sich durch Wärmeentzug zusammenziehende Spanndorn wird mechanisch ausgedehnt durch die in Tätigkeit tretenden Federn 18, so dass der Unterschied zwischen den Koeffizienten der Wärmeausdehnung der Fasern und der Matrize ausgeschaltet wird. Alles in allem werden die Fasern keiner grösseren Spannung als 0,3% bei der Spritztemperatur unterworfen.

Nach der Abkühlung wird der einschichtig zusammengesetzte Stoff vorzugsweise geschmirgelt oder kalandert, um eine glatte und ebene Wicklungsfläche zu schaffen. Dieser einschichtige zusammengesetzte Stoff dient der folgenden Schicht als Unterschicht. Um den Herstellungsprozess fortzusetzen, wird ein neuer Faden des faserartigen Materials in spiralförmigen Windungen, die eng anliegen und gleichmässig räumlich verteilt sind, gewickelt, und die Unterschicht wird erhitzt, um die Bindung zwischen den einzelnen Schichten mit Sicherheit zu bewirken. Wenn das Vorerhitzen ausgeführt ist, werden die Fasern nach dem Plasma-Lichtbogenverfahren gespritzt, und die vorhergehenden Teilverfahren werden in Aufeinanderfolge wiederholt, bis die Schichten eine auf der andern in gewünschter Anza&l auf dem Spanndorn aufgebaut sind. Um die Dichtheit und Dehnbarkeit der Matrize zu erhöhen, unterwirft man alsdann den mehrschichtigen zusammengesetzten Stoff einem sekundären Herstellungsverfahren. Das bevorzugte Verfahren ist Heisspressen in nicht oxy dierender Atmosphäre, Der

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zusammengesetzte Stoff wird schräg geschnitten, vom Spanndorn entfernt, zwischen Stahlplatten oder Pressformen gelegt und dann einem Druck und einer Temperatur ausgesetzt, deren Grad im voraus festgesetzt wird.

Verschiedene Experimente wurden angestellt um die Tauglichkeit der oben beschriebenen Verfahren festzusteifen. Während dieser Versuche wurde ein Spanndorn aus Aluminium von 15,24- cm Weite und 50,80 cm im Durchmesser mit einem Paar 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 Treniiungsentfernung von 0,64- cm sperrte. Aluminium wurde als Matrizenstoff zu verschiedenen Malen auf Fasern aus Bor, Siliziumkarbid und auf Borfasern, die mit Siliziumkarbid überzogen waren, aufgetragen. Es versteht sich von salbst, dass jedesmal, wenn das Wort Aluminium !hierin gebraucht wird, es sich nicht nur auf das pure Metall bezieht, sondern auch auf die respektiven Verbindungen mit Aluminium als Grundstoff. Die Faser-, Matrizen- und Folienmaterialien, die bei der Herstellung von zusammengesetzten Stoffen gebraucht wurden, sind in Tabelle I aufgezeichnet.

Tabelle I

Materialien für die Herstellung von zusammengesetzten Stoffen

Durchschnittliche Höchstzugfestigkeit

Faser	,5 SiO	Durchmesser	Modul in 10⁶ kg/cm²	,22	kg/cm2	Bezugs quelle
Bor		•99-	3.87-4-.	,22	29.900 35.200	United Are- craft Re search
Bor mit 2 bis 3,8 Ueberzug	99.	3.87-4-.		29.9OO 35.200	UARL
SiO	68,	■' 3.52	I9.3OO 28.100	UARL
	. 1-104-
	. 1-104-
,6-83.8

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Metallpuder Typ Gross enklasse Bezügsquelle

1100-gewerbsmässiges kugelig 15-44· Mikron Thermal pures Aluminium ' Dynamics

6061 Aluminium zerstäubt -270+400 Reynold's Legierung Maschenweite Metal Go.

(1.0% Mg, 0,5% Si, BaIAl) :

2024 Aluminium zerstäubt -270+400 Alcoa

Legierung . Mascnenweite

(4,5% Cu, BaI Al)

Metallfolie Type Dicke Bezugsquelle

1100 ausgeglüht 25 "Kitchen Wrap"

6061 ausgeglüht 25 - 75 Reynolds

Bedeutende !Fortschritte in der Herstellung wurden vollbracht, wenn man beim Verfahren Plasma gespritztes Aluminiumlegierungspuder 6061, BORSIC Faser und eine 25 dicke Folie aus der Aluminiumlegierung 1145 gebraucht. Zusammengesetzte Stoffe wurden auch hergestellt aus Siliziumkarbidfaser und Borfaser.

Das Heisspressverfahren wird angewandt bei zusammengesetzten Stoffen, die aus BQRSIG-Fasern und einer Matrize aus einer Aluminiumlegierung oder aus Borfasern und einer Matrize aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Man hat festgestellt, dass eine Heisspressung von einer Stunde bei 500° C Hitze und einem Druck von 281 kg/cm zur Herstellung einer Matrize von maximaler Dichte, Stärke und Dehnbarkeit geeignet ist. Höhere Temperaturen bedingen niedrigere Druckstärken, zum Beispiel 70,3 kg/cm bei 600 C. Bei 560° G Jedoch tritt eine bedeutende Verschlechterung der Borfaser, ein, was nicht der Fall ist bei Borfasern, die mit Siliziumkarbid überzogen sind (BORSIC). Fasern, die aus dem zusammengesetzten Stoff mit verdünnter Salzsäure entnommen wurden, zeigen eine Schwächung der Durchschnittsfestigkeit von 33»700 bis 9,140 kg/cm , und die zusammengesetzten Stoffe sind schwach (5,480 kg/cm² bei einem Borgehält von 41%). Bei 490° C tritt auch eine bedeutende Verschlechterung in den Fasern ein (ungefähr 25%), und die zusammengesetzten Stoffe besitzen bei weitem nicht so hohe Festigkeitsgrade wie diejenigen,' die bei niedrigen Temperaturen heiss gepresst werden. Bei einer Temperatur von 400° C und einem Pressen mit 703 kg/cm erreichen Bänder, aus Bor

und Aluminium nicht ihre vollständige Verdichtung, und die· Matrize ist etwas brüchig. Ein Pressen von 703 kg/cm jedoch

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- 11 führt zu völliger Verdichtung.

Die Ergebnisse der obigen Heisspressverfahren zeigen die praktischen Vorüge - besonders in dem Falle, wo grössere Gefüge von zusammengesetztem Stoff hergestellt werden sollen - die Verwendung der höchsten Temperatur, die mit der Bewahrung von erwünschten Fasereigenschaften vereinbar ist. Je höher die Temperatur, je niedriger die zur völligen Verdichtung erforderliche Pressung.

Verschiedene zusammengesetzte Stoffe, die nach dem vorhergehenden Verfahren hergestellt worden waren, wurden eiiBer Bewertung bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften unterworfen, deren Parameter und Eigenschaften in Tabelle II verzeichnet sind.

Tabelle II

Herstellungsparameter und mechanische Eigenschaften von zusammengesetzten Stoffen, die nach dem Plasmaverfahren gespritzt

' wurden.

Faser Bor BORSIC Siliziumkarbid

Zahl der Schichten 11 8 8

Räumliche Verteilung 157 157 127 der Faser

Plasmastärke 14 KVA 14 KVA 16 KVA

4.25 m⁵/St 4.25 m⁵/St 4.81 ι Argon Argon Argon

? der Vorerhitzung

Heisspressung 399° C _P 499° G ₉ 499° C _P

703 kg/cnr 281 kg/cnT 703 kg/cnr

Fibergehalt in %

des Volumens 52% 42% 32%

Young'scher Mo'dul 2.21 χ 10⁶ kg/cm² 1.97*10⁶ kg/cm² 1.48xl0⁶k_ gg^stzugfestig- 11.3400 kg/cm² 11.410 kg/cm² 4.850 kg/cm² Es ist offensichtlich, dass in der technischen Verwirklichung der vorliegenden Erfindung Veränderungen vorgenommen werden können. Man hat zum Beispiel klar erkannt, dass Plasma-Spritzen auch in der Luft ausgeführt werden kann, um ein einfacheres und wenig kostspieliges Verfahren zu fördern. Um jedoch eine gute Bindung zwischen den einzelnen Aluminiumschichten, die nacheinander an der Luft gespritzt werden, zu begünstigen, ist es empfehlenswert, die Fläche zwischen den Schichten mit feinem Aluminiumpulver vermittels eines Sandgebläses zu bestrahlen. Mehrschichtige zusammengesetzte Stoffe, die in der atmosphärischen

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Plasma-Gas 4.25 m⁵/St 4.25 m⁵/St 4.81 m⁵/St

jon Argon Argoi

Temperatur der Vor- 204° C 260° G 232° C

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Luft gespritzt worden waren, wurden durch Diffusion gebunden, und man stellte fest, dass kein nennenswerter Unterschied in der MikroStruktur bestand'im Vergleich zu denjenigen Stoffen, die in Argon gespritzt worden waren. Man stellte ebenfalls fest, dass ihre Eigenschaften ungefähr gleichwertig waren mit den Eigenschaften der in Argon gespritzten zusammengesetzten Stoffe.

Man wird rasch erkennen, dass vermittels der hierin beschriebenen Verfahren faserverstärkte Waren mit sorgfältig kontrollierter Dichte schnell und reproduzierbar hergestellt werden 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 denen erkannt werden,die in der Technik bewandert sind, und dies im wahren Geist und im Bahmen der Erfindung und gemäss den beigefügten Patentansprüchen. ■

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Claims

1. ELn Verfahren zur Herstellung eines strukturellen Stoffes mit metallener Matrize und verstärkt .en Fasern durch

'Plasma—I/ichthogenspritzen von verschmelzenden metallenen Matrizenmaterial auf die Fasern gekennzechnet durch, das Umhüllen des Spanndorns mit einer Schicht aus Metallfolie, die Wicklung einer Faser in spiralförmiger, kolllmativer Einzelschicht auf den Spanndorn, das Vorerhitzen des Spanndorns bis zu einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Bindung zwischen der Folie,, Faser und Matrize während des Sprltzens zu gewährleisten, das Auftragen des metallenen Matrizenmaterials in verschmelzender Form auf die Fasern vermittels Plasma—Lichtbogenspritz en, um die Faser einzuverleiben und eine zusammengesetzte Schicht zu bilden, die Bildung von zusätzlichen zusammengesetzten Schichten, die durch starke Bindung zwischen den einzelnen Schichten gekennzeichnet sind durch Wiederholung der Wicklung der Faser in _v einer spiralförmigen, kollimativen Einzelschicht auf die vorhergehende zusammengesetzte Schicht, des Vorerhitzens der vorhergehenden zusammengesetzten Schicht bis zu einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Bindung zwischen der Folie, Faser und Matrize während des Spritzens zu gewährleisten und des Auftragens der metallenen Matrize in verschmelzender Form auf die Faser vermittels Plasma-LIchtbogenspritzensj' und die Heisspressung der so hergestellten mehrschichtigen Stoffe..

2. Ein Verfahren gemäss dem Patentanspruch 1, in welchem die Faser aus einem Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Bor, Siliziumkarbid und mit Siliziumkarbid überzogenem Bor besteht. -

3. Ein Verfahren gemäss den Patentansprüchen 1 und 2, In welchem das Matrizenmaterial aus Aluminium besteht.

4-. Ein Verfahren gemäss den Patentansprüchen 1 bis 3, in welchem die Folie aus Aluminium besteht.

5. Ein Verfahren gemäss dem Patentanspruch 1, worin der Spanndorn aus Aluminium besteht.

6. Ein Verfahren gemäss dem Patentanspruch 1, in welchem die Temperatur der Vorerhitzung 204° C - 316° G beträgt.

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7. Ein Verfahren gemäss den Patentansprüchen 1 und 5, In welcnem der Spanndorn federbelastet ist, so dass bei Sprit ζ— temperatur die Faser keiner grosser en Zugbeanspruchung als 0,3% unterworfen Ist. ■

8. Bas Fabrikat, das nacn dem Verfahren gemäss Patentanspruch 1 hergestellt wird.

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