DE1960081A1

DE1960081A1 - Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE1960081A1
Application number: DE19691960081
Authority: DE
Inventors: Max Maier; Dipl-Ing Gruenling Hermann W
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-11-29
Filing date: 1969-11-29
Publication date: 1971-06-03
Also published as: GB1328880A; FR2072476A5

Description

Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen

Bie Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Faserverbundwerkstoffen aus hochfesten diskontinuierlichen Fasern und einem Matrixwerkstoff niedrigerer Festigkeit, wobei die Fasern vor Verdichten des Rohlings ausgerichtet werden.

Bei Faserverbundwerkstoffen soll den Werkstoffen mit der Grundeigenschaft der Matrix erhöhte Festigkeit verliehen werden. Die Matrix wird in der Regel aus einem metallischen oder keramischen Pulver hergestellt. Als Faserwerkstoffe eignen sich dünn ausgezogene metallische Drähte - Fein-, Feinst- und sogenannte Mikrodrähte -, Glasfasern, polykristalline keramische Fäden und monokristalline metallische und keramische Fasern, die üblicherweise als Whiskers bezeichnet werden. '

An Faserverbundwerkstoffen ist man überall dort interessiert, wo ein Bedarf an hochfesten und hochwarmfesten Werkstoffen besteht, wie es beispielsweise in der Reaktortechnik und im Turbinenbau der Fall ist. Weitere Einsatzgebiete sind dort, wo hochfeste Leichtbauwerkstoffe benötigt werden, wie z.B. in der Luftfahrttechnik. Leichte Faserverbundwerkstoffe erreicht man durch Verwendung leichter Faser- und Matrixwerkstoffe.

In der Praxis hat man die bei Faserverbundwerkstoffen mit diskontinuierlichen Fasern theoretisch erzielbare Festigkeit bisher bei weitem noch nicht erreicht. Unter diskontinuierlicher Faser wird üDlioherweise verstanden, daß sich die Länge der Fasern nicht über die gesamte Werkstücklänge erstreckt. Die Herstellung solcher Panerverbundwerkstoffe ist beispielsweise in "metallurgical review" Band, 1965, Sei ben 79 bis 144 beschrieben. Beim .Herstellen solcher Faserverbundwerkstoffe sind häufig Fehlschläge «'Aufgetreten,'deren Ursachen bisher noch nicht vol*l erkannt

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wurden. Die Festigkeit der Verbundwerkstoffe liegt dann oft nur im Rahmen der Werte des Ausgangswerkstoffes für die Matrix.

Es hat sich herausgestellt, daß bei den bekannten Technologien zur pulvermetallurgischen Herstellung von Faserverbundwerkstoffen die verwendeten Fasern, insbesondere sehr feine Whiskers, stark verkürzt werden. Diese Faserverkürzung tritt insbesondere beim Strangpressen und beim Kalt- oder auch Warmverdichten auf.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Korngröße verwendeter Metallpulver in den Durchmesserbereich der Fasern zu legen, um die Faserverkurzung zu verringern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch diese Maßnahme die geschilderten Schwierigkeiten nicht immer zu umgehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Faserverbundwerkstoff en mit diskontinuierlicher Faser, insbesondere mit sehr feinen Whiskers, beispielsweise im /um-Bereich, so zu verbessern, daß die theoretisch erwartete Festigkeit annähernd erzielt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß nicht allein der Faserdurchmesser sondern besonders der Abstand der einzelnen Fasern in einem Faserverbundwerkstoff die Korngröße des Matrixpulvers, also des Ausgangswerkstoffes, bestimmt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist nach der Erfindung vorgeae«- hen, daß für die Matrix ein Ausgangswerkstoff mit einer Korngröße verwandt wird, die nicht.größer als der·mittlere Faserabstand und nicht wesentlich größer als der Faserdurchmesser ist. Der Faserabstand ist dabei vom Faserdurchmesser und vom Volumenanteil der verwendeten Fasern am Werkstück abhängig. Mit dem erfindungsf gemäßen Herstellungsverfahren erzielt man Verbundwerkstoff e ;repj&öduzierbarer Festigkeit. .·:.

Nach einer wesentlichen Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird als Ausgangswerk3toff ein plättchenförmiges Material verwandt; Unter plattchenförmigem oder auch flockigem bzw* schup-

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pigem Material wird hier ein Ausgangswerkstoff in einer Form verstanden, deren eine Dimension kleiner als die beiden anderen ist. Für den Ausgangswerkstoff eignet sich insbesondere keramisches oder metallisches Material.

Die Verwendung von plättchenförmigem Ausgangsmaterial für die Matrix ist an sich aus "Powder Metallurgy", Bd. 7 (1964), No 14, S. 156 und S. 157 bereits bekannt. Es fehlt jedoch die besondere Abstimmung auf den Faserabstand, weshalb nach dieser Methode die geschilderten Schwierigkeiten nicht behoben werden.

Bei Ausgangswerkstoffen, deren Korngröße nach der Erfindung auf den Faserabstand abgestimmt ist, kommt es bei der Verwendung von plättchenförmigem Ausgangsmaterial zu einem besonders günstigen Zusammenwirken. Darüber hinaus hat plattchenförmiges Ausgangsmaterial den Vorteil, daß sich die Plättchen beim Strangpressen zum Ausrichten der Fasern im Rohling ähnlich wie die Fasern parallel zur Preßrichtung orientieren und dadurch den Fließprozeß beim Strangpressen günstig beeinflussen. Dadurch wird auch die Ausrichtung der Fasern verbessert. Es kommt dabei zu einer Art Mikroplattierung zwischen den Plättchen und den Fasern. Die Plättchen des Ausgangswerkstoffes für die Matrix können Dicken von wenigen Mikrometern (/um) und Durchmesser bis zu mehreren 100 /um aufweisen.

Der Faserabstand, von dem die Auswahl des Korndurchmessers des Ausgangsmaterials im weitesten Sinne erfindungsgemäß abhängt, wird durch den gewählten Faserdurchmesser und den angestrebten Volumenanteil der Fasern am gesamten Werkstück verständlicherweise beeinflußt. So wird bei konstantem Faserdurchmesser mit steigendem Volumenanteil sowie bei konstantem Volumenanteil mit fallendem Faserdurchmesser der Faserabstand kleiner. Der Faserabstand kann in einfacher Weise errechnet werden. Er ergibt sich für Fasern mit rundem Querschnitt z.B. nach der Formel

Ψ d ²
a = I/ i - d_f.

. V_f

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Hierbei ist mit d_f der Faserdurchmesser und mit V~ der Volumenanteil der Fasern bezeichnet. Für Fasern mit d_f = 10 /um und einem Volumenanteil V„ = 10 Volumenprozent (VoI-^) ergibt sich sonach ein Faserabstand von a =20 /um. Für V- = 50 Vol-$ erhält man unter den gleichen Bedingungen a = 3,5 /um. Für einen Faserdurchmesser um 1 /um und für V» = 10 Vol-$ erhält man a = 2 /um. unter den gleichen Bedingungen ergibt sich für V„ = 50 Vol-% der Faserabstand zu a = 0,35/um.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-' Werkstoffes aus Kupferplättchen und Si^üi.-Whiskern geschildert: Kupferplättchen, deren Durchmesser zwischen 5 bis 35 /um liegen und eine Dicke - Korngröße - von 1 bis 2/um aufweisen, werden mit Whiskerfasern in Wasser mit einem Netzmittel dispergiert. Der Durchmesser der Fasern liegt beim Ausführungsbeispiel, bei einem VoTumenanteil von 10 Vol-$, in einem Spektrum unterhalb 1 bis 3/um, womit sich ein mittlerer Faserabstand bei' 2 /um ergibt. Die vermischten Ausgangsmaterialien werden dann über einer Fritte abgesaugt und getrocknet. Das Mischungsgut wird mit einem Plastifikator, wie z.B. mit wässriger Methylzelluloselösung, in an sich bekannter Weise vermischt und zu einer homogenen Masse verknetet. Danach wird die Mischung zum Ausrichten der Fasern in gewünschte Form stranggepr.eßt, wobei sich der Querschnitt des Rohlings in an sich bekannter Weise mindestens in einem Verhältnis 16:1 verringern soll. Hierauf wird der Plastifikator durch Tempern bei 500° C aus dem Rohling in Wasserstoffatmosphäre entfernt. Bei etwa 700° C und 5 Mp/cm erfolgt dann die Drucksinterung des Rohlings.

Der in der beschriebenen Weise hergestellte Verbundwerkstoff weist eine relative Dichte von 98 # auf. Es konnte eine Festigkeit von 50 kp gemessen werden, was einer Festigkeitssteigerung

mm
gegenüber dem Ausgangsmaterial Kupfer um etwa 100 % entspricht.

Das Verfahren nach der Erfindung hat sich besonders auch für Verbundwerkstoffe mit hoher Faserkonzentration bewährt.

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Claims

VPA 68/1534 -5- - Patentansprüche

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von Faserverbundwerkstoffen aus hochfesten diskontinuierlichen Fasern und einem Matrixwerkstoff niedrigerer Festigkeit,' wobei die Fasern vor Verdichten des Rohlings ausgerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß fur die Matrix ein Ausgangswerkstoff mit einer Korngröße verwandt wird, die nicht größer als der mittlere Faserabstand und nicht wesentlich größer als der Faserdurchmesser ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangswerkstoff ein plättchenförmiges Material verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswerkstoff aus keramischem oder metallischem Material besteht.

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