DE2049416B2 - Verfahren zur herstellung von halbzeug und formteilen aus faserverbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Halbzeug und Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen, deren Fasern nach den Hauptbeanspruchungsnchtungen ausgerichtet sind und durch Hilfsfaden in ihrer Lage gehalten werden. Faserverbundwerkstoffe oder faserverstärkte Werkstoffe sind seit lingerer Zeit in Entwicklung, mit ihrer Hilfe werden hochfeste und dabei leichte Bauteile, unter anderem hochwarmfeste Bauteile, auf fast aller, technischen Gebieten angestrebt. Die Festigkeit der betreffenden Werkstücke hängt dabei im wesentlichen von dem Volumenanteil und der Festigkeit der verstarkenden Fasern und weniger von dem umgebenden Matrixwerkstoff ab. Es wird angestrebt, die Faserrichtung stets so zu wählen, dal! sie mit der Hauptbeanspruchungsrichtung der Werkstücke übereinstimmt. Diese ( bereinstimmung ist jedoch nicht auf technisch einfache Art und Weise zu erzielen. Versuche dazu bestanden darin, die betreffenden Werkstoffe durch Ziehen oder Walzen im noch nicht verfestigten Zustand zu verformen. Die dabei erzielte Ausrichtung der eingebetteten Fasern war jedoch nicht vollkommen. Außerdem läßt sich dadurch die gewünschte Faserdichte im Werkstoff selbsJ nicht beeinflussen.

Es wurdeauchschon vorigeschlagen - DT-OS1912465 und US-PS 28 93 442 - die verstärkenden Fasern in Form eines Gewebes in entsprechender Orientierung in das zu verfestigende Matrixmaterial einzubetten. Die Gewebe können dabei in ebener oder gerollter bzw. der Werkstückform angepaßter Schichtung angeordnet werden. Hilfsfäden können dabei zur Halterung der Verstärkungsfasern in ihrer Sollage verwendet werden.

Solche Hilfsfäden können aber selbst wiederum für den fertigen Verbundwerkstoffschädlich sein. Es stellte sich daher die Aufgabe, «olche Nachteile mit Sicherheit zu vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Hilfsfäden sich in der Matrix auflösen.

Bei der Herstellung von Halbzeug und Formteilen aus solchen Faserverbundwerkstoffen handelt es sich also darum, zunächst ein raumstabilisiertes Gerüst aus verstärkenden Fasern aufzubauen und sodann in einen Matrixwerkstoff einzubetten. Die Einbettung erfolgt dann vorzugsweise bereits innerhalb der gewünschten Formen, also /. B. Stangen, Rohren oder anderen Profilen, z. B. Turbinenschaufel^ /ur Verwendung kommen dabei alle bekannten Matnxniaterialien, wie z. B. Metalle, Keramik, Glas. Kunststoffe und als Fasermaterial ebenfalls wieder Metalle. Keramik, Glas und nicht metallische Elemente, wie /. B. Bor und Kohlenstoff, sowie deren Verbindung mit Metallen oder Übergangsmetallen, /. B. Siliziumkarbid. ·

Weiterhin seien genannt Whiskermaterialien, das sind faserförmige Einkristalle, die sich aus verschiedenen Stoffen,z. B. Aluminiumoxid,Graphit,Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid herstellen lassen. Da Whisker verhältnismäßig kurz sind, müssen diese zuerst in an sich bekannter Weise zu Fäden versponnen werden, bevor sie sich zu einem Gewebe verarbeiten lassen. Es kann dabei vorteilhaft sein, Hilfsfäden aus einem anderen Material einzuarbeiten, z. B. um auf diese Weise die Konzentration der Whisker den gewünschten Festigkeitseigenschaften anzupassen. Die Art dieses Materials richtet sich selbstverständlich dabei nach der späteren Matrix oder Einbettmasse. Durch Tränken der genannten Spinnfäden mit einem Matrixmaterial lassen sich Verbundwerkstoffäden oder Drähie herstellen, die selbst als Verstärkungsfasern für die hier beschriebene Technik verwendet werden können.

Die Verstärkungsfasern, ob sie nun aus kontinuierlichen Fasern oder aus gesponnenen Whiskerfäden au'gebaul sind, können als Einzelfasern oder als Faserbündel verwendet werden. Wenn auch die Spinnfäden mit den eingebetteten Whisker eine im Vergleich zu den kontinuierlichen Fäden niedrigere Festigkeit besitzen, da die Fasern zunächst noch keinen festen Zusammenhalt haben, kommt die Festigkeit der Einzelfasern, also der Whisker jedoch im fertigen Verbundwerkstoff durch die bekannten Kraftübertragungsmechanismen voll zur Geltung. Für die Steigerung der Verarbeitbarkeit dieser Spinnfäden ist es vorteilhaft, die einzelnen Fasern durch Tränkung des Spinnfadens mit geeigneten Kunststoffen, die beim Fertigungsprozeß rückstandslos verbrennen bzw. verdampfen, fest miteinander zu verbinden. Gewebe aus solchen Verbundfaden eignen sich besonders für die Einbettung in Matrixwerkstoffe, die der Matrix des Fadens entsprechen. Die Einbettung in andere Matrixwerkstoffe ist jedoch auch möglich. So werden die Kombinationen Fadenmatrix (Glas oder Metall) mit Weikstoffmatrix (Metall oder Keramik), Fadenmatrix (Kunststoff) mit Werkstoffmatrix (Metall, Glas, Keramik), wenn die Kunststoffmatrix verbrennt oder verdampft, technisch realisierbar und von großem Interesse.

Für das Einbetten der Gewebe bieten sich verschiedene Methoden an. Die einfachste ist die normale Gießmethode, die jedoch zweckmäßigerweise im Vakuum durchgeführt werden sollte, um störende Porenbildung im Verbundwerkstoff zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist auch das Tränken, bei dem das flüssige Matrixmaterial von unten her in die mit Fasergewebe ausgelegte Form durch Unterdruck eingesaugt wird. Diese Arbeitsweise empfiehlt sich insbesondere für Metallschmelzen.

Für die Herstellung von Rohren kann die Wandung der Kokille entsprechend der gewünschten Rohrdicke mit Fasergewebe ausgelegt und das Matrixmaterial in Gestalt von Schlicker eingeführt werden. Beim anschließenden Erwärmen des Schlickers verdairmfen

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die bindenden Bestandteile, anschließend sintert die metallische oder keramische Matrix zusammen Auch Fertigwerkstucke, wie /. B. Turbinenschaufeln, Flansche u a. mehr, lassen sich nach diesem Verfahren herstellen, wobei sich die Faserverstärkung stets in reproduzierbarer und entsprechend den Fesügketisbedürfmssen gesteuerten Weise anbringen läßt. Nicht unerwähnt soll bleiben, daß sich bei hohlen Werkstücken selbstverständlich auch die Schleudergußmethode für die Einbettung der Gewebe eignet. Eine Nachverformung des Halbzeugs oder der Formteile ist dabei nicht mehr erforderlich, da die optimale Anordnung aer Fasern bereits beim Einbettungsvorgang selbst erzielt wird.

An Hand der Fig. 1 bis4,die verschiedene mögliche Ausbildungsformen von Geweben sowie Schichtungen zeigen, sei nun diese Erfindung ergänzend näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt in zwei Darstellungen ein verschieden dichtes Gewebe aus Verstärkungsfasern 2. Daraus ist ersichtlich, wie durch die Webart die Dichte des eimubettenden Fasermaierials eingestellt werden kann. Dieses Gewebe ist geeignet für die Belastungsaufnahme in zwei zueinander senkrecht stehenden Richtungen. J5

Demgegenüber zeigt Fig. 2 ein Gewebe, das nicht nur aus Verstärkungsfasern, sondern auch aus Hilfsladen 3 aufgebaut ist.

Die Darstellung von drei Webmöglichkeiten hinsichtlich der Zusammensetzung aus Hilfsfäden 3 und Verstärkungsfasern 2 zeigt, daß es auf diese Weise möglich ist, eine weitere Steuerung der Fase'dichte im Verbundwerkstoff herbeizuführen. Außerdem ist es hier möglich, in beiden Richtungen unterschiedliche Festigkeitswerte einzustellen. Darüber hinaus können durch die Einführung der Hilfsfäden immer stabile Netzwerke erzeugt werden, so daß sich bei deren Einbettung in das Matrixmaterial keine wesentlichen Verschiebungen der Verstärkungsfasern und damit Beeinträchtigungen der gewünschten späteren Festigkeit ergeben. Gerade bei großen Packungsdichten sind dann auflösbare Hüfsfäden von besonderem Vorteil.

Die Herstellung von verschiedenen Faserverbundwerkstoff-Kombinationen kann durch mangelhafte Benetzbarkeit und/oder Bindung zwischen den Partnern erschwert werden. Durch die Aufbringung von die Haftung und/oder Benetzung fördernden Schichten, z. B. Metallschichten, können solche Schwierigkeiten in an sich bekannter Weise überwunden werden. Bei metallkeramischen Faserverbundwerkstoffen mit Keramikfasern kann es insbesondere vorteilhaft sein, der Metallmatrix geringe Mengen aktiver Metalle, wie

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7. B Titan oder Zirkonium zuzulegieren. Letztere fördern die Benetzung und fuhren zu einer Diffusionsverbindung zwischen Matrix und {•'asermaterial. Die Zugabe dieser aktiven Legierungsbestandteile kann derart geschehen, daß die im Gewebe verwendeten Hilfsladen die genannten Aktivmetalle in der not wendigen Menge enthalte.!. Zweckmäßig erscheint auch die \ ^rwendung von Verbunddrähten, deren Seele aus einem derartigen Aktivmetall oder dessen Legierung besteht, während die ebenfalls im Mairixmetall leicht lösliche Umhüllung aus einem Metall mit niedriger Sauerstofflöslichkeit besteht und die Aufgabe hat, beim Gießprozeß die leicht oxidierbaren reaktiven Metalle vor Oxidation zu schützen. Die genannten Verfahrensweisen zur Einbringung der aktiven Komponenten haben gegenüber einem reaktiven Zusatz bereits in der Matrixschmelze den Vorteil, daß die Kontaktzeiten zwischen diesen und den Verstärkungsfasern bei den in Frage kommenden hohen Temperaturen nur kurz sind, so daß Oberflächenbeschädigungen der Fasern durch Reaktion mit diesen Komponenten gering gehalten werden können.

Ergänzend sei erwähnt, daß es nach Form und Querschnitt des herzustellenden Halbzeugs oder Formteils zweckmäßig ist, die Gewebe übereinander zu schichten, wie es z. B. aus den Fig. 3a, 3 b, 3c und 3d hervorgeht. Auch hier sind die verstärkenden Fasern wieder mit 2 und die Hilfsfäden mit 3 bezeichnet. Auch diese Skizzen zeigen, wie es durch Übereinanderlegen unter Umständen verschiedenartig aufgebauter Gewebe möglich ist. die Konzentration der verstärkenden Fasern in gewünschter Weise einzustellen.

Selbstverständlich sind nicht nur ebene Anordnungen möglich, vielmehr ist es auch unter Umständen sinnvoll, die Gewebe zunächst zu rollen, wobei die verstärkenden Fasern stets in derHauptbeanspruchungsrichtung verlaufen. Auch eine spezielle Form, wie z. B. in F i g. 4, kann Anwendung finden. Damit ist eine weitgehende Anpassung an die Form des herzustellenden Werkstückes, in diesem Falle etwa einer Turbinenschaufel, möglich. Auch hier sind selbstverständlich verschiedenartig aufgebaute Gewebe übereinander schichtbar, so daß damit Festigkeitsverhalten und auch Bindung gegenüber der Matrix auf ein Maximum eingestellt werden können.

Abschließend sei erwähnt, daß selbstverständlich für den Aufbau von derart verstärktem Halbzeug und Formteilen hinsichtlich Matrixmaterial, Hüfsfadenmaterial und Fasermaterial alle bisher bekannten Werkstoffe Verwendung finden können, so daß von der Nennung bestimmter Materialpaarungen fiir die genannten Beispiele abgesehen wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Paientansprüche

1. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Halbzeug und Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen, deren Fasern innerhalb einer metallischen oder nichtmetallischen Matrix nach den Hauptbeanspruchungsnchtungen ausgerichtet sind und durch Hilfsfaden in ihrer Lage gehallen werden, auf Hilfsfaden, die sich in der Matrix auflösen.

2. Anwendung nach Anspruch 1 auf Hilfsfaden aus Matrixmaterial.

3. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Halbzeug und Formteilen aus Faserverbundwerkstoffen mit keramischen Verstärkungsfasern auf Hilfsfäden, die ein zur Verbesserung der Haftung gegenüber den keramischen Fasern dienendes an sich bekanntes Aktivmetall als mechanische oder Legierungskomponente enthalten.

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