DE2131513A1

DE2131513A1 - Verbundstoff

Info

Publication number: DE2131513A1
Application number: DE19712131513
Authority: DE
Inventors: Praveen Chaudhari; Freedman James Francis; Zlata Kovac
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-06-30
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1972-04-06
Also published as: FR2096585A1; CH573982A5; GB1355836A; FR2096585B1; ES392706A1; CA945506A; NL7109061A; BE767624A; ZA713773B

Description

Pöklingen, 23. .Juni 3.971 -fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Aintl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 969 093

Verbundstoff

Die Erfindung betrifft einen Verbundstoff, bestehend aus einer Wirtsmatrix mit darin eingelagerten Einschlüssen, die polykriställines Material enthalten und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es ist aus der Literatur bekannt, daß mikroskopisch kleine Einkristalle Festigkeiten besitzen, die um Größenordnungen größer als die eines korrespondierenden homogenen einkristallinen Materials sind. Weiterhin ist bekannt, daß Versetzungen, die eine Art Fehlstellen in Kristall darstellen, zum größten Teil für das plastische Fließen in Einkristallen verantwortlich sind. Die außergewöhnlich hohe Festigkeit von mikroskopisch kleinen Einkristallen ist zurückzuführen auf die sehr kleine

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Wahrscheinlichkeit, Versetzungen in solchen mikroskopisch kleinen Proben anzutreffen. Weil mikroskopisch kleine Einkristalle so klein gehalten werden müssen, um ihre hohe Festigkeit zu bewahren, ist die Ausnutzung ihrer vorteilhaften Eigenschaften nur sehr begrenzt möglich, wobei Verbundstoffe, in denen Fasern mit einer hohen inneren Festigkeit in andere Materialien, welche als Matrix dienen, eingebaut sind, eine Ausnahme bilden. Die Herstellungskosten solcher Materialien sind relativ hoch und die resultierende Festigkeit ist ungefähr umgekehrt proportional zum Durchmesser und direkt proportional zu der Packungsdichte der eingelagerten Einschlüsse in der Wirtsmatrix.

Eine gute Zusammenfassung über Verbundstoffe ist zu finden in der Zeitschrift Scientific American, Vol. 217, Nr. 3 (Sept. 1967), ab Seite 160. Verbundstoffe gewinnen wegen ihrer hohen Gebrauchstüchtigkeit in zunehmendem Maße an Bedeutung als Baumaterialien. Einkristalline Fasern, Glasfäden und Graphitfäden werden zur Erzeugung der gewünschten physikalischen Eigenschaften in eine Wirtsmatrix eingebaut.

Aus der Literatur ist bekannt, daß dünne Metallfilme eine sehr hohe innere Festigkeit besitzen, weil sich Versetzungen in der feinkörnigen Struktur nur schwer bilden und fortpflanzen können. Metallfilme dieser Art sind beschrieben in "Physics of Thin Films", herausgegeben von G. Hass, Academic Press (1966) Bd. 3, ab Seite 211.

Ein Verbundstoff ist eine Kombination von zwei oder mehreren Materialien, in dem die einzelnen Komponenten ihre ursprünglichen Eigenschaften beibehalten, jedoch zu einer Eigenschaft des Verbundmaterials einen Beitrag leisten, die einen Kompromiß aus den Eigenschaften der einzelnen Komponenten darstellt und für einen gewünschten Anwendungszweck optimiert werden kann. Bisher wurden Pulver, Fasern, Flocken oder kleine Einkristalle wie auch kontinuierliche Schichten in einem Laminat als Einschlüsse verwenr

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det» Diese Einschlüsse wurden gleichmäßig ohne eine bevorzugte Orientierung dispergiert und anschließend in hohem Maße in einem sich wiederholenden Muster in der Matrix ausgerichtet, wobei ein Verbundstoff mit richtungsabhängigen Eigenschaften erhalten wurde. Beispiele für solche Verbundstoffe sind Holz, in dem Zellulosefasern und Lignin zu einem Verbundstoff mit anderen Eigenschaften als denjenigen der Komponenten vereinigt sind. Andere Verbundstoffe sind Sicherheitsglas, Metalle und Fiberglas. Am meisten haben diejenigen Verbundstoffe an Bedeutung gewonnen, in denen feste Fasern in eine Matrix aus plastischem Material oder aus Metall in der Weise eingebaut sind, daß wegen der hohen Festigkeit und Steifigkeit der Fasern ein Verbundstoff erhalten wird, der wesentlich leichter als äquivalente monolithische Strukturen ist. Sowohl die Wirtsmatrix wie auch die Einschlüsse können aus einem Metall, einem keramischen oder plastischen oder einem beliebigen organischen Material bestehen.

Die Verwendung von Verbundstoffen zur Herstellung von Maschinenteilen für Datenverarbeitungsmaschinen ist erwünscht, weil mit ihnen höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten bei niedrigerem Gewicht und größerer Verläßlichkeit erzielt werden können.

Bisher wurden verschiedene Techniken angewendet, um die Einschlüsse in der Wirtsmatrix zu dispergieren und auszurichten. Für eine willkürliche Dispergierung wurden Verfahren wie Gießen oder Pressen oder die Pulvermetallurgie angewendet. Wenn eine richtigungsabhängige Eigenschaft erzeugt werden sollte, wurden die Einschlüsse wie Fasern oder Einkristalle auf Bändern aus der Wirtsmatrix angeordnet und aufgeschichtet, um die gewünschte Form des Formteils aus dem Verbundstoff zu erzeugen. Die Schichtung wurde anschließend gepreßt und erhitzt, wobei eine Bindung zwischen den Schichten durch Diffusion bei einer Metallmatrix oder Fließen und Härten b§i einer Kunstharzmatrix eintrat. Andere spezifische Formteile wurden erzeugt durch Tränkung mit ge-

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schmolzenem Metall oder Kunstharz, durch Plasmasprühverfahren, elektrische Formgebung und Koextrusion eines zusammengesetzten Teils. Die Eigenschaften der Verbundstoffe waren bisher anisotrop und daher für bestimmte Anwendungszwecke ungeeignet.

Die Anwendung der bisher bekannten Verbundstoffe war begrenzt, weil jede spezifische Eigenschaft eines Verbundmaterials einen Mittelwert zwischen den Werten der korrespondierenden Eigenschaften der einzelnen Komponenten darstellte und von deren relativem Prozentgehalt in der Mischung abhängig war.

Bisher war es nicht möglich, die endgültigen Eigenschaften eines Verbundstoffes aus den besonderen Eigenschaften der Einschluß komponenten vorauszusagen. Dies war nicht möglich, weil Wechselwirkungen zwischen der Wirtsmatrix und den Einschlüssen in mikroskopischem Maßstab stattfanden. Deshalb mußten einzelne Teile eines Struktureleraents aus Verbundstoff erzeugt und deren physikalische Eigenschaften bestimmt werden, dann werden mehrere solcher Verbundstoffteile zu dem gewünschten Strukturelement vereinigt. Diese Technik wurde besonders entwickelt zur Herstellung von. Strukturelementen für die Luftfahrt aus mit Borfasern verstärkten Epoxydharzteilen. Mit Borfasern verstärkte Verbundstoffe wurden vorzugsweise für die Luftfahrt hergestellt wegen ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit, die einen Gewichtsvorteil gegenüber äquivalenten Metal!strukturen ergaben. Die Verbundstoffe mit Borfasern sind jedoch für die meisten anderen Anwendungszwecke zu teuer. Die Vorteile von Verbundstoffen gemäß der Erfindung im Vergleich mit Verbundstoffen, die mit Borfasern verstärkt sind, werden später näher erläutert.

Ein weiterer Nachteil der bisher hergestellten Verbundstoffe war die schlechte Bindung zwischen der Wirtsmatrix und den Einschlüssen, besonders bei hohen Temperaturen. Durch Interdiffusion zwischen den einzelnen Schichten wurden brüchige Stellen erzeugt,

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in denen sich bei Belastung Risse bildeten. Es ist bekannt, daß Borfasern besonders zur Interdiffusion neigen, deshalb wurden diese Fasern mit einer Sperrschicht aus Siliziumcarbid überzogen, um die Interdiffusion zwischen denselben und der Epoxydharzwirtsmatrix zu unterbinden. Bisher konnten Verbundstoffe unter Optimierung von zwei oder mehr Eigenschaften hergestellt werden, wobei die Eigenschaften von mehreren Komponenten ohne beträchtliche Verschlechterung irgendeiner bestimmten Eigenschaft vereinigt werden konnten. Epoxydharze besitzen beispielsweise eine besondere Festigkeit bei Zimmertemperatur und eine leichte Verarbeitbarkeitf. so daß sie besonders für die Serienfertigung verwendet werden können. Ihre thermischen Leitfähigkeiten sind jedoch so extrem niedrig, daß sich die Hitze an der bearbeiteten Fläche ansammelt und nicht schnell genug abgeleitet werden kann, was zu einer Schwächung der Oberfläche und einer schnellen Zerstörung des Teils führt. Die thermische Leitfähigkeit wird um etwa 300 % gesteigert durch einen Zusatz von etwa 30 Volumprozent Aluminiumpulver, ohne daß eine merkliche Änderung der physikalischen Festigkeit des Kunstharzes in Kauf genommen werden muß.

Aus der Literatur ist auch bekannt, daß es möglich ist, eine physikalische Eigenschaft in einem Strukturelement in kontrollierter Weise zu ändern, um diese Eigenschaft an einer bestimmten Stelle relativ zu einer anderen besonders hervorzuheben. Dieses wurde erreicht durch Einbau einer bestimmten Menge und Orientierung eines Einschlußmaterxals mit einer bestimmten Festigkeit und Steifigkeit, während in dem übrigen Struktureleraent ein verschiedener Gehalt oder Orientierung oder ein verschiedenes Einschlußmaterial vorherrschte.

Außer den bekannten Verbundstoffen, die Bor- oder Graphitfasern in einer Matrix aus Epoxydharz enthalten, oder Wolframdrähte in einer Metallmatrix aus Kobalt und Nickel, ist noch eine ande-

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re Art von Verbundstoffen bekannt, bei der die Metallmatrix und die Einschlüsse in einem einzigen Arbeitsgang erzeugt werden durch kontrolliertes Schmelzen von bestimmten Metallierungen. Ein Teil der Legierung bildet die parallelen Einschlüsse, während der übrige Teil die Matrix für die Einschlüsse darstellt. Der resultierende Verbundstoff besitzt große Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Hitze. Ein solcher Verbundstoff besteht beispielsweise aus Kiobcarbidschichten, die als Eutektikum in einer Niobmatrix gebildet werden und besitzt hohe Festigkeiten bis zu Temperaturen von 1650 ⁰C.

Ein Maß für die Fähigkeit des Materials, seine Festigkeit gegenüber der Anwesenheit von Rissen beizubehalten, ist die Arbeit, die zum Brechen des Materials aufgewendet werden muß. Materialien wie Siliziumcarbid, Bor und Graphit verhalten sich etwa wie Glas. Ihre Brucharbeit ist klein, so daß sie gegen die Anwesenheit von Rissen sehr anfällig sind. Metalle können im allgemeinen stark beansprucht werden, weil sie steh der Anwesenheit von Rissen anpassen. Polymermaterialien wie Polyäthylen sind auch widerstandsfähig gegen Risse, jedoch nicht in so hohem Maße wie Metalle. Metalle und Polymermaterialien sind viel widerstandsfähiger gegen Rißbildung als keramische Materialien, weil die interatomaren Kräfte in Metallen und die intermolekularen Kräfte in Polymermaterialien nicht von einer bestimmten Ausrichtung zur Erzeugung von Festigkeit abhängig sind. Die chemischen Bindungen in Metallen und Polymeren sind dahingehend ungesättigt, daß die Atome und Moleküle leicht neue Bindungen einzugehen vermögen, während in keramischen Materialien hochorientierte Kräfte wirksam sind und gesättigte Bindungen vorhanden sind. Die Atome oder Moleküle in Metallen und Polymeren gleiten aufeinander an der Führungskante eines Risses, so daß dieser nicht so leicht in die innere Struktur des Metalls oder Polymeren eindringt wie in diejenige eines keramischen Materials.

Wenn bisher keramische Materialien in Verbundstoffen verwendet

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wurden, so konnten sie nur in kleinen Teilen in eine Wirtsmatrix eingebaut werden, die bestimmte Eigenschaften besitzen mußte. Die Wirtsraatrix durfte die Fasern, um Rißbildung zu vermeiden, nicht scheuern, sie mußte Spannungen auf die Fasern übertragen, sie sollte plastisch sein und gute Haftfähigkeit den Fasern gegenüber besitzen und darüber hinaus Risse ableiten und die Rißbildung kontrollieren.

Zweck der Erfindung ist ein Verbundstoff aus einem Matrixmaterial mit keramischen Einschlüssen, wobei an die Materialien bezüglich der Eigenschaften keine so hohen Anforderungen wie bisher gestellt zu werden brauchen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verbundstoff, bestehend aus einer Wirtsmatrix mit darin eingelagerten Einschlüssen und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse polykristallines Material enthalten, dessen normierte Endfestigkeit größer ist als die normierte Endfestigkeit eines homogenen Einkristalls aus dem gleichen Material. Die normierte Endfestigkeit des polykristallinen Materials ist dabei nahezu gleich der normierten Endfestigkeit einer mikroskopisch kleinen, einkristallinen Faser aus dem gleichen Material und liegt vorzugsweise in einem Bereich

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von 6 · 10 bis 10 . Solche Festigkeiten werden erreicht, wenn

das polykristalline Material eine Korngröße in einem Bereich von 100 bis 5000 8 besitzt.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß polykristalline Filme durch Elektroplattieren, Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung auf einem Substratmaterial abgeschieden werden und die so hergestellten Einschlußmaterialien in eine Wirtsmatrix eingelagert und in derselben gegebenenfalls ausgerichtet werden.

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Durch die Erfindung wird ein Verbundstoff mit Einschlüssen und ein Verfahren zu seiner Herstellung geschützt. Der Verbundstoff besteht aus einer Wirtsmatrix, welche mit den in ihr eingelagerten Einschlüssen verträglich ist. Durch die Ausbildung der Einschlüsse in Form von polykristallinen Filmen werden Faserfestigkeiten erreicht, die vergleichbar sind mit denen von einkristallinen Fasern. In bestimmten Ausfuhrungsformen dieser Erfindung verbleiben die polykristallinen Filme auf Substratmaterialien, auf denen sie hergestellt wurden; in anderen Ausführungsformen der Erfindung werden die Substratmaterialien, ehe die polykristallinen Filme in die Wirtsrnatrix eingebaut werden, entfernt.

Durch die bevorzugte Herstellung mehrerer Schichten von polykristallinen Filmen aus verschiedenen Materialien mit verschiedener Orientierung und verschiedenen Korngrößen wird eine komplexe Faser hergestellt zum Einbau in eine Wirtsmatrix mit Eigenschaften, die speziell dem gewünschten Anwendungszweck des Verbundstoffs angepaßt sind. Darüber hinaus werden durch die Kontrolle der Abscheidungsparameter des polykristallinen Films die inneren Spannungen, ausgewählt aus einem Spektrum von Zug bis Druck, in den Filmen so vorgegeben, daß diese zusammen mit den bevorzugten Orientierungen des Films bei seinem Einbau in eine Wirtsmatrix einen Verbundstoff ergeben mit speziellen, durch die Herstellung bedingten Eigenschaften.

Im einzelnen wird durch die Ausführung dieser Erfindung ein Verbundstoff /^erzeugt bei Anwendung verschiedener Abscheidungsverfahren zur Herstellung der polykristallinen Filme, beispielsweise Kathodenzerstäubung, Aufdampfen und galvanische Abscheidung. Die Orientierung der Einschlüsse in die Wirtsmatrix wird vorzugsweise erhalten, wenn man den einzubauenden Einschlüssen Eigenschaften einverleibt, die auf ein extern angewendetes Feld, beispielsweise ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld oder ein Gravitationsfeld ansprechen.

Die Vorteile der Erfindung werden im folgenden näher erläutert. Docket YO 969 093 ■ 20981S/US5

1. . Datenverarbeitungsraaschinen, die aus Verbundstoffen gemäß

der Erfindung hergestellt sind, arbeiten mit größerer Geschwindigkeit und Verläßlichkeit, bei gleichzeitig niedrigerem Gewicht und Einsparungen bei den Herstellungkosten.

2. Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung kann ein Verbundstoff hergestellt werden, dessen physikalische Eigenschaften speziell dem gewünschten Verwendungszweck angepaßt sind. So kann beispielsweise eine komplexe Faser hergestellt werden, die ein Material enthält, das eine Ausrichtung derselben in der Wirtsmatrix ermöglicht. Wenn die Faser ferromagnetische Materialien enthält, ist eine Ausrichtung derselben in einem äußeren Magnetfeld möglich. Weiterhin können Fasern mit abgestuften Dimensionen, beispielsweise in konischer Form, hergestellt werden, die während der Herstellung des Verbundstoffes eine bevorzugte Orientierung in einer flüssigen Wirtsmatrix aufgrund des Gravitationsfeldes einnehmen. Wenn einige verschieden polykristalline Materialien in der Faser in Schichten vorhanden sind, können verschiedene Größen, Eigenschaften und Festigkeiten erzeugt werden, um den spezifischen Anforderungen eines bestimmten Anwendungszwecks gerecht zu werden, ohne daß dadurch die Grunddichte oder andere strukturelle Eigenschaften des Verbundstoffes geändert werden.

3. Neue Strukturen, die bisher nicht erhältlich waren, können durch die Ausführung dieser Erfindung hergestellt werden, denn die Verwendung polykristalliner Filme eingelagert in eine Wirtsmatrix ermöglicht die Erzielung ganz bestimmter Eigenschaften für eine gegebene Anwendung.

4. Eine spezifische Eigenschaft. eines Verbundstoffes, die durch die Ausführung dieser Erfindung erreicht wird, ist nicht beschränkt auf einen Wert, der zwischen den vergleichbaren Eigenschaften der Komponenten des Verbundstoffes liegt, wie es bisher üblich war, vielmehr ermöglicht diese Erfindung, die Fasereinschlüsse in einer Vorzugsrichtung auszurichten

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und sie gleichzeitig so herzustellen, daß sie einer gegebenen inneren Spannung angepaßt sind.

Die Forderung, die bisher hinsichtlich der Bindung der Wirtsmatrix an die eingelagerten Einschlüsse des Verbundstoffes gestellt wurde, wird besonders durch die Ausführung dieser Erfindung erfüllt durch eine Ablagerung einer Schicht aus vorteilhaftem, bindendem Material auf den Fasereinschlüssen und dadurch, daß in der Oberfläche der Fasereinschlüsse bevorzugte Orientierungen geschaffen werden, durch die besonders gute Bindungseigenschaften zwischen der Wirtsmatrix und den eingelagerten Einschlüssen hergestellt werden können»

Verbundstoffe können durch die Ausführung dieser Erfindung hergestellt werden, die im allgemeinen gleichwertig und manch mal sogar noch besser als konventionell hergestellte Borfasern sind bei Verwendung im Flugzeugbau und die darüber hinaus weniger teuer sind.

In bestimmten bevorzugten Ausführungen dieser Erfindung ist es erwünscht, ein Verbundmaterial herzustellen, in welchem die Wirtsmatrix und die Substratmaterialien für die kristallinen Filme aus dem gleichen Material, beispielsweise aus einem Epoxydharz bestehen. Wenn in dem polykristallinen Film bestimmte innere Spannungen während des Aufwachsens auf das Substrat erzeugt wurden, wird der Einbau der einzulagernden Einschlüsse in die Wirtsmatrix sorgfältig kontrolliert, damit das Substratmaterial nicht von dem polykristallinen Film getrennt wird und die Bindung zwischen den Substratmaterialien und der Wirtsmatrix mit einem minimalen Schmelzen an der Grenzfläche zwischen Substratmaterial und Wirtsmatrix erreicht wird. Weiterhin ist es durch die Ausführung dieser Erfindung nunmehr möglich, ein vollständig homogenes, chemisches Material zu erhalten, das in einzelnen Bereichen verschiedene physikalische Eigenschaften besitzt. So wird beispielsweise durch die Herstellung von einzula-

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gernden Einschlüssen, die aus polykristallinen Kupferfilmen auf einem Substratmaterial aus Kupfer oder auf Substratmaterialien, die anschließend entfernt werden, bestehen und anschließenden Einbau der Einschlüsse aus Kupfer in eine Kupfermatrix durch Elektroplattieren ein Kupferverbundmaterial erhalten, welches physikalische und elektrische Eigenschaften besitzt, die sich von jedem Material, das bisher hergestellt werden konnte, unterscheiden.

8. Die bisherige Forderung nach Ausgleich der Festigkeitseigenschaften in einem Verbundstoff und die Vermeidung einer Anisotropie in demselben wird durch die Ausführung dieser Erfindung erleichtert. Durch diese werden Fasereinschlüsse hergestellt, in denen verschiedene Kombinationen innerer Spannungen und Schichten mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften vereinigt sind. Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Interdiffusion zwischen der Wirtsmatrix und den eingelagerten Einschlüssen eines Verbundstoffes durch die -Abscheidung einer Sperrschicht auf jedem der einzulagernden Einschlüsse auf ein Minimum reduziert. Die Sperrschicht beeinflußt die physikalischen Eigenschaften des Verbundstoffes, die durch den Einbau der Einschlüsse erzeugt werden, kaum, reduziert jedoch die Interdiffusion auf ein Minimum. Die Sperrschicht selbst kann auch polykristallin sein und so einen Beitrag zu den Festigkeitseigenschaften des Verbundstoffes liefern.

9. Wegen der Flexibilität bei der Herstellung von einzulagernden Einschlüssen in Faserform gestattet die vorliegende Erfindung die Herstellung verschiedener Fasern, so daß spezifische Eigenschaften in einem Verbundstoff durch eine komplexe Dispersion von Fasern erzeugt werden können und die gewünschten Endeigenschaften des Verbundstoffes unter. gleichzeitiger Berücksichtigung der einem bestimmten Matrixmaterial innewohnenden Eigenschaften erhalten werden. Für einen gegebenen Typ eines Einschlußmaterials war es bisher nicht möglich, verschiedene Festigkeitseigenschaften des

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fertigen Verbundstoffes zu erhalten, da nur der Parameter der Größe der Einschlüsse variiert werden konnte. Im Gegensatz dazu gestattet die Ausführung dieser Erfindung die Ausnutzung der Kristallinität der Einschlüsse, welche zusammen mit deren Größe die Herstellung eines Verbundstoffes für einen gegebenen bestimmten Anwendungszweck ermöglicht.

Wenn für die Ausführung der Erfindung größere Faserlängen erwünscht sind, können diese durch Anwendung der in der Textilindustrie üblichen Techniken hergestellt werden. Es können die einzulagernden Einschlüsse für"einen gewünschten Verbundstoff in Form eines ausgedehnten Gewebes hergestellt werden, in dem das Material für die Wirtsmatrix in bekannter Weise dispergiert wird.

Das Material, aus dem ein Endlosfaden gemäß dieser Erfindung hergestellt ist, kann eine physikalische Struktur besitzen, die die Herstellung eines Schichtelementes aus einem Verbundstoff gestattet, wie es bisher nicht möglich war. Beispielsweise können bei Verwendung von Substratfasern die Techniken der Textilindustrie Anwendung finden, um ein Gerüst zu erzeugen, das in einer bestimmten Gestalt zur Herstellung eines komplexen Formteils in einer Form ausgebreitet und die Form anschließend mit dem Material für die Wirtsmatrix gefüllt wird.

10. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine bestimmte physikalische Eigenschaft örtlich in einem Verbundstoff hervorgehoben werden, während an allen anderen Stellen des Verbundstoffes eine andere physikalische Eigenschaft vorherrscht. Bisher war es möglich, einen bestimmten Grad der Orientierung des Einschlußmaterials an einer bestimmten Stelle des Verbundstoffes zu erzeugen, während die Festigkeit oder Steifigkeit in dem übrigen Teil mit einem verschiedenen Gehalt oder sogar mit einem verschiedenen Einschlußmaterial im Gleichgewicht gehalten würde. Diese Forderungen des Standes

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Technik werden dadurch erleichtert, daß das gleiche physikalische Material im Rahmen der vorliegenden Erfindung so hergestellt wird, daß es an verschiedenen Stellen des Verbundstoffes verschiedene metallurgische Eigenschaften besitzt.

11. Weil es nunmehr aufgrund der vorliegenden Erfindung möglich ist, die gewünschten Fasereinschlüsse aus den meisten Materialien zu erzeugen, kann auch eine Bindung zwischen Wirtsmatrix und Fasereinschluß durch Diffusion erhalten werden, ohne die ursprüngliche Festigkeit der Faser zu verändern. Weiterhin ist es nunmehr möglich, Fasern mit Festigkeiten herzustellen, die mit denen von Einkristallen vergleichbar sind. Diese Fasern enthalten Zusätze in einer Konzentration, die durch die Phasendiagrammbeziehung zwischen der Wirtsmatrix und dem Einschlußmaterial bei der Verarbeitungstemperatur gegeben ist, so daß die Materialien, was ihre Zusammensetzung anbetrifft, im wesentlichen homogen sind, jedoch heterogen in ihren physikalischen Eigenschaften.

12. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden durch die Kombination verschiedener Materialien für die Wirtsmatrix und die Einschlüsse Teile erhalten, die billig herstellbar sind, hohe Festigkeit bei gleichzeitiger niedriger Dichte besitzen, gute schalldämpfende Eigenschaften, gute Dimensionskontrolle und Stabilität und gute chemische Beständigkeit aufweisen.

13. Durch die vorliegende Erfindung können Verbundstoffe erhalten werden unter Beibehaltung der optimalen Eigenschaften des Materials für die Wirtsmatrix und der Einschlüsse, ohne daß ein Kompromiß erforderlich ist. So ist es beispielsweise möglich, ein Verbundmaterial herzustellen mit Eigenschaften, die abgestuft sind zwischen Materialien mit einkristallinen Einschlüssen und solchen mit eutektischen Einschlüssen.

14. Die bisher übliche Rißbildung in keramischen Einschlüssen Docket YO 969 093 2 0 9 815/1465

in einer Wirtsmatrix kann im Rahmen dieser Erfindung abgeschwächt werden durch die Herstellung von komplexen Fasern, bei denen die keramische Faser mit einem polykristallinen Metallfilm überzogen wixd. Daher ist es möglich, keramische Materialien in einer Weise für Verbundstoffe einzusetzen, wie es bisher nicht üblich war. Die Anforderungen an eine Wirtsmatrix im Hinblick auf keramische Einschlüsse, daß diese beispielsweise die Einschlüsse nicht scheuert, Spannungen auf die Fasern plastisch überträgt, gute Haftfestigkeit den Fasern gegenüber besitzt und Risse in den Verbundstoff selbst reflektiert und dadurch kontrolliert, sind weniger hoch, weil nunmehr auf die keramischen Einschlüsse eine Zwischenschicht aus einem geeigneten Material leicht aufgebracht werden kann.

15. Während bisher bei Verbundstoffen bezüglich der Eigenschaften wie Druck und Zug nur ein Kompromiß möglich war, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, ein Verbundmaterial herzustellen, das hinreichend gutes Zug- und Druckverhalten besitzt ohne irgendeinen Verlust in der einen oder der anderen Richtung.

16. Während es bisher üblich war, Schichtstoffe zu verwenden, um dem Verbundstoff Widerstandsfähigkeit gegen Druckbeanspruchung zu verleihen, ist es nunmehr möglich, durch entsprechendes Dispergieren von Einschlüssen, deren Zusammensetzung speziell für den gewünschten Zweck gewählt wurde, die Anforderungen hinsichtlich des genannten Druckausgleichs herabzusetzen.

17. Die für einkristalline Einschlüsse beschriebenen Eigenschaften werden im Rahmen dieser Erfindung durch polykristalline Filme erreicht. Weiterhin ist es durch diese Erfindung möglich, Verbundstoffe mit verschiedenen konstanten und anderen, sich ändernden Eigenschaften bei einem Spektrum von Betriebstemperaturen herzustellen.

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18.. Weil im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Faser längen, wechselnd von extrem kurz bis zu Endlosfäden hergestellt werden können, können beliebige Verarbeitungsmethoden, die normalerweise auf bestimmte Materialien beschränkt sind, zur Herstellung von Verbundstoffen im Rahmen dieser Erfindung angewendet werden. Die Steifigkeit, die durch den Einbau von Endlosfäden in den Verbundstoff im Rahmen dieser Erfindung erreicht wird, gestattet die Herstellung von verschieden geometrisch geformten Verbundstoffen. Beispielsweise ist es möglich, die Endlosfäden aus dem komplexen, einzulagernden Material auf eine Trommel aufzuwickeln und den Verbundstoff rund um die Trommel zu erzeugen, wobei ein streng kreisförmiger Zylinder hergestellt wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, genaueren Beschreibung näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. IA ist ein Querschnitt durch einen Verbundstoff

nach dem Stand der Technik mit einer Wirtsmatrix aus Aluminium und eingelagerten Einschlüssen aus Borfasern, die aus Wolframdrähten, die mit einem durch Zersetzung von Borbromid oder Borchlorid hergestellten Borüberzug versehen sind, bestehen.

Fig. IB ist eine graphische Darstellung theoretischer

Betrachtungen über den Zusammenhang zwischen der normierten Festigkeit eines Materials und dem Korndurchmesser der darin eingelagerten polykristallinen Filme.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer polykristallinen Faser gemäß der Erfindung. Diese enthält ein Substratmaterial und ist dargestellt vor der Einlagerung in den Verbundstoff.

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Io —

Fign. 3A, 3B zeigen idealisierte Darstellungen von Verbund- und 3C stoffen, die im Rahmen dieser Erfindung hergestellt werden können und in denen die Fasern, die in Fig. 2 dargestellt sind, willkürlich orientiert sind wie in Fig. 3A, oder monoaxial ausgerichtet sind wie in Fig. 3B oder in Fig. 3C, bei der Endlosfäden in der Gesamtlänge des Verbundstoffes eingelagert sind.

Fig. 4 ist eine teilweise schematische Querschnitts

zeichnung einer Vorrichtung, die zur Herstellung von Fasern gemäß der Erfindung geeignet ist. Mit dieser Vorrichtung können die in Fig. 2 dargestellten Fasern durch Plattieren eines polykristallinen Filmes auf ein metallisches Substrat hergestellt werden.

Fign. 5A u. 5B sind schematische, perspektivische Ansichten

einer Vorrichtung, in der Fasern gemäß der Erfindung in einem Verbundstoff, wie in den Fign. 3 dargestellt, in Gegenwart eines extern angelegten magnetischen Feldes dispergiert werden, wobei in Fig. 5A der Verbundstoff vor Anlegen des Magnetfeldes und in Fig. 5B der Verbundstoff nach der Orientierung der eingelagerten Einschlüsse dargestellt ist.

Fig. 6 ist ein schematischer Querschnitt einer Apparatur zur Herstellung von Endlosfäden gemäß Fig. 2, in der ein Material aus der Dampfphase kristallin auf einem sich bewegenden Faden aus Substratmaterial abgeschieden wird.

Fig. 7 ist ein schematischer Querschnitt, teilweise

im Ausschnitt, einer Vorrichtung zur Herstellung eines einzulagernden Films gemäß der Erfindung mittels Kathodenzerstäubung.

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Fig. 8 ist ein schematischer Querschnitt, teilweise im

Ausschnitt, einer Vorrichtung zur Herstellung eines einzulagernden Endlosfadens gemäß der Erfindung mittels Kathodenzerstäubung.

Um eine Basis für den Vergleich der einzelnen Eigenschaften dieser Erfindung, die im Zusammenhang mit den Abbildungen 2 bis 8 beschrieben wird, zu erhalten, wird zunächst der Stand der Technik anhand der Fign. IA und IB näher erläutert.

Verbundstoffe werden beschrieben in einem Artikel von A. Kelly in Scientific American, VoI 217, No. 3, Seite 161 (1967). In diesem Artikel wird eine Wirtsmatrix aus Aluminium beschrieben, in die Borfasern orientiert eingebaut sind. Veranschaulicht wird diese Entwicklung in Fig. IA, in der die Wirtsmatrix 10 aus Aluminium Fasereinschlüsse 12 aus Bor, die auf Wolframdrähten 14 abgeschieden sind, einschließt. Der resultierende Verbundstoff 16 ist in Fig. IA anhand eines Querschnitts durch ein solches Strukturelement gezeigt. Wie in dem zitierten Artikel angegeben ist, wird Bor wegen seines hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht als Baumaterial verwendet. Von Stahl und Bor als Materialien zur Herstellung einer Faser des gleichen Durchmessers, zeigt Bor ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als Stahl. Deshalb ist es vorteilhaft, für den gleichen Anwendungszweck einen Bordraht mit größerem Durchmesser als einen feinen Stahldraht zum Einbau in die Wir.tsmatrix zu verwenden. Die Borfaser wird herge stellt durch Zersetzung von Borchlorid oder Borbromid an einem

Wolframdraht. Beim Erhitzen des Wolframdrahtes zersetzt sich Bor- !

chlorid oder Bromid unter Bildung von Bor. Um eine hohe Belastbar- {

keit des Verbundstoffes, der aus einer Wirtsmatrix aus Aluminium \

und eingelagerten Einschlüssen aus Bor besteht, zu erhalten, wird j

eine große Menge auf dem Wolframdraht abgeschieden. j

Es ist bekannt, daß polykristalline Filme hohe Festigkeit besitzen j

im Vergleich zu homogenem, einkristallinem Material der gleichen \ Zusammensetzung. Dieses wird näher erläutert in "Physics of Thin [ Films", herausgegeben von G. Hass, Academic Press (1966) Bd. 3, \

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ab Seite 211. Der Mechanismus der Spannungsablösung in dünnen Filmen wird behandelt in Artikeln von P. Chaudhari und P. Chaudhari und Mitarbeitern in "IBM Journal of Research and Development", Vol. 13, Nr. 2 (März 1969),ab Seite 197 und in "Journal of Vacuum Science and Technology,", Vol. 6, Nr. 4 (1969), S. 618-621.

Der Mechanismus, durch den Spannungen in Filmen abgebaut werden, wird im wesentlichen Versetzungen zugeschrieben. Fig. IB ist eine graphische Darstellung, in der die normierte Spannung, d„h. σ/u = Spannung/Schubmodul, die erforderlich ist, um einen Versetzungsring in einem hexagonalen Kristall zu bilden, als Funktion des Korndurchmessers in A aufgetragen ist. Durch die Verwendung eines normierten Spannungsparameters ist ein Vergleich der Festigkeiten für alle Materialien in einer gemeinsamen Skala gültig. Die normierte Spannung, aufgetragen gegen den Korndurchmesser, ist in Fig. IB dargestellt als Band auf der Grundlage der Formeln, die von P. Chaudhari und Mitarbeitern in "Journal of Vacuum Science and Technology" angegeben sind. Aus dieser Behandlung der Spannung, die erforderlich ist, um eine Versetzung bilden, ist ersichtlich, daß je kleiner die Korngröße des Materials ist, die Spannung zur Fortpflanzung und Ausbreitung der Versetzung um so größer ist.

Aus den in der Literatur veröffentlichten Spannungsmessungen ergibt sich, daß dünne Metallfilme fester sind als homogenes, einkristallines Material. Berechnungen, die Im Rahmen dieser Erfindung durchgeführt wurden, ergeben, daß die in typischen, polykristallinen Filmen für das plastische Fließen erforderliche Spannung in der Größenordnung desjenigen Wertes liegt, der aus der Literatur für mikroskopisch kleine, einkristalline Fasern bekannt ist und in der Größenordnung von etwa 10 Dyn/cm liegt. Die hohen inneren Spannungen, die in vielen dünnen Filmen festgestellt wurden, weisen daraufhin, daß solche Spannungsablösungsmechnismen wie plastisches Fließen offenbar nicht auftreten.

Im Hinblick auf das hohe Oberflächen-zu-Volumenverhältnis und die feine Kornstruktur dünner Filme wurde vorgeschlagen, daß das

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Fehlen des plastischen Fließens eine Folge der erschwerten Nukleierung und Erzeugung von Fehlstellen war, welche ein Fließen der Spannung erleichtern würden. Eine theoretische Elastizitätsanalyse, die aus der Literatur bekannt ist, ergab einen Satz von Gleichungen für die Energien und Spannungen, die bei der Bildung verschiedener Typen von Versetzungsrxngen auftreten, je nach der Art der räumlichen Umgebung im Kristallgitter. Die erhaltenen Werte sind in der gleichen Größenordnung wie die experimentell beobachteten. Die Ergebnisse dieser theoretischen Behandlung sind in dem Diagramm der Fig. IB, in dem die zur Ringbildung erforderlichen Spannungen als schraffiertes Band dargestellt sind, aufgetragen und zeigen die gegenseitige Abhängigkeit der Korngröße des Materials und der Spannung, die zur Erzeugung von Versetzungen in demselben erforderlich ist.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Als Beispiel ist eine Faser zum Einschluß in eine Wirtsmatrix perspektivisch in Fig. 2 dargestellt. Der Faserausschnitt 20 der Fig. 2 besteht aus einem polykristallinen Film 22, der auf einem Drahtsubstrat 24 abgeschieden ist. Der polykristalline Charakter des Films 22 ist so ausgebildet, daß die gewünschte Festigkeit des Fasereinschlusses 20 für Verbundstoffe im Rahmen dieser Erfindung erreicht wird. Die Fasereinschlüsse 20, die in Fig. 2 abgebildet sind, werden in eine Wirtsmatrix 26, dargestellt in Fig. 3A, als willkürlich dispergierte Fasern 28 eingebaut, wobei der Verbundstoff 30 erhalten wird. In Fig. 3B werden die Fasern gerichtet in die Wirtsmatrix 32 als orientierte Fasern 34 eingebaut, wobei der Verbundstoff 40 erhalten wird. In Fig. 3C werden Endlosfasereinschlüsse von der Art, die in Fig. 2 dargestellt ist, gerichtet in gleichmäßigem Abstand in Wirtsmatrix 42 eingebaut als in einer Linie ausgerichtete Fasern 44, wobei der Verbundstoff 50 erhalten wird.

Durch die Abscheidung von kleinkörnigen, niedrige Spannung enthaltenden polykristallinen Filmen auf herkömmlichem Substratmaterial werden verhältnismäßig einfache Strukturen, die weitaus

Docket YO 969 093 ₂09815/U65

größer als einkristalline Fasern sind, hergestellt, wobei deren Festigkeit vergleichbar ist mit der Festigkeit dieser einkristallinen Fasern. Eine Vorrichtung zur Herstellung der komplexen Fasereinschlüsse, die in Fig. 2 angegeben sind, ist schematisch in Fig. 4 abgebildet. Hierin ist ein Drahtsubstrat als Kathode 60 in einer Elektroplattiervorrichtung 62 ausgebildet, die eine zylindrische Anode 64 und einen Elektrolyten 66 in einem Behälter 68 enthält. Die Drahtanode 60 ist über eine^Leiter 70 und ein Amperemeter 72 an den negativen Pol 74 einer Batterie 76 angeschlossen. Der elektrische Kreis von Batterie 76 wird vom positiven Pol 78 über den Leiter 80 und einen variierbaren Widerstand 82 und den Schalter 84 zu der Zylinderanode 64 geschlossen. Voltmeter 86 befindet sich zwischen dem negativen Pol 74 der Batterie 76 und der Verbindungsstelle 88 zwischen dem Schalter 84 und dem variierbaren Widerstand 82. Durch überwachung der Strom- und Spannungsbedingungen für die Elektroplattiervorrichtung 62 wird eine bevorzugter polykristalliner Film 22 auf einem Substratdraht 24 abgeschieden.

Als Beispiele für mit Filmen überzogene?) Fasereinschlüsse, die im Rahmen dieser Erfindung hergestellt werden, werden Golddrähte 20 mit einem Dr^ichmesser von 0,13 mm (5,2 mils) und einer Länge von 2,54 cm (1 inch) durch Elektroplattieren mit einem überzug 22 aus polykristallinem Nickel, wie in Fig. 2 angegeben, versehen. Durch die Verwendung von geeigneten Zusätzen zu dem Elektroplattierbad 66 der Fig. 4, beispielsweise Saccharin, und die Verwendung von verhältnismäßig hohen Stromdichten, die eine schnelle Abscheidung ermöglichen, werden Filme mit niedriger Spannung und extrem kleiner Korngröße in der Größenordnung von 200 A erhalten.

Die bevorzugten Fasereinschlüsse 20 der Fig. 1 werden unter folgenden Bedingungen erhalten. Es wird folgende Plattierungslösung verwendet: 218 g/l NiCl₂'6H₃O, 25 g/l H₃BO₃, 1,64 g/l Natrium-Saccharin und 10 Tropfen einer gesättigten Lösung von 2-Butin-1,4-diol, der pH-Wert der Lösung war 3,5, die Badtemperatur betrug 4O C und die Stromdichte 75 mA/cm . Endwerte für die

Docket SO 969 093 ₂03815/H8S

2 5

Festigkeit größer als 7000 kg/cm (10 psi) wurden mit der Abscheidung einer 0,13 mm (5 mil) dicken Nickelschicht 22 auf einem 0,13 mm (5 mil) dicken Golddraht 24 erhalten. Dieser Wert entspricht einer effektiven Festigkeit σ/Ε von 5*10 , wobei σ die angewandte Spannung und E der Elastizitätsmodul für den Nickelfilm 22 ist. Der angegebene Wert ist vergleichbar mit den in der Literatur angegebenen Werten für Nickeleinkristalle.

Die Konzentration des Plattierungsbades kann geändert werden, oder verschiedene Zusätze und Lösungen können verwendet werden. Die im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Zusätze in den angegebenen Konzentrationen gewährleisten die Abscheidung von extrem kleinen Korngrößen ohne Spannung (oder mit einer Druck- oder Zugspannung je nach dem gewünschten Anwendungszweck). Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung ist wesentlich, daß eine sehr glatte Oberfläche in mikroskopischem Maßstab vorliegt, weil Einkerbungen oder andere rauhe Stellen für den Spannungsanstieg wesentlich sind und als Folge davon die niedrige Spannung verloren geht.

Im Rahmen dieser Erfindung wird ein Substratmaterial verwendet, beispielsweise ein Golddraht, auf dem Nickel abgeschieden wird, wobei ein sehr feinkörniger Nickelfilm oder irgendein anderer abgeschiedener Film erwünscht ist und die Festigkeit im wesentlichen unabhängig von der Dicke der abgeschiedenen Schicht ist. Daher ist es möglich, bei der Durchführung dieser Erfindung optimale Festigkeit eines gegebenen Materials zu erhalten. Das Substrat ist vorgesehen als Unterlage für das abzuscheidende Metall. Das Substrat kann nach der Abscheidung entfernt werden, und anschließend kann auf dem abgeschiedenen Material eine weitere Schicht abgeschieden werden. Die Eigenschaften des Substratmaterials werden nicht beeinflußt.

Einkristalline Materialien besitzen hohe Festigkeiten nur dann, wenn sie keine Versetzungen enthalten. Einkristalline, mikroskopisch kleine Einschlüsse, welche in Verbundstoffen verwendet

Docket YO 969 093 9nöft1ß/UßB

werden, besitzen hohe Festigkeiten, weil in ihnen die Versetzungsdichte extrem klein ist und nahezu gegen Null geht. Die Festigkeit des Materials erreicht den theoretischen Wert, welcher durch die elastischen Konstanten des Materials bestimmt ist. In polykristallinen Filmen werden hohe Festigkeiten gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, indem man die Korngröße so klein macht, daß vorhandene Versetzungen nicht über den Durchmesser des Korns hinauswandern können. In Materialien mit sehr kleiner Korngröße sind keine Versetzungen vorhanden und die Spannung, die zu ihrer Bildung erforderlich ist, ist sehr hoch und nähert sich derjenigen der elastischen Grenze. Aufgrund der Kombination dieser beiden Bedingungen ist die Gesamtfestigkeit eines sehr feinkörnigen Materials sehr hoch.

Die Festigkeit der einzubauenden Fasereinschlüsse im Rahmen dieser Erfindung ist im wesentlichen unabhängig vom Durchmesser, was gezeigt wird anhand verschiedener Beispiele mit verschiedenen Schichtdicken von Nickel in der Größenordnung von 0,002 mm (0,08 mils) bis 0,13 mm (4,7 mils)', abgeschieden auf 0,14 mm (5,2 mils) dicken Golddrähten. Zugfestigkeiten für zwei Fasern mit einer Nickelschichtschichtdicke von 0,064 mm (2,5 mils) und 0,115 mm (4,5 mils) waren 8415 kg/cm² (119 650 psi) und 10835 kg/cm (154 140 psi). Die Verhältnisse der Trennungskräfte entsprachen nahezu den Querschnittsverhältnissen der abgeschiedenen Nickelfilme. Wenn normiert, waren die Daten nahezu identisch mit den Werten für Nickel, d.h. ungefähr 14100 kg/cm² (200 000 psi). Messungen, die an Beispielen dieser Erfindung durchgeführt wurden, haben eine Größenunabhängigkeit gezeigt. Die obere Grenze der Filmdicke, für die diese Unabhängigkeit zutrifft, ist unbekannt und sollte unbegrenzt sein. Die höchste Zugfestigkeit, die in der Literatur für kalt gewalztes Nickel angegeben wird, ist ungefähr 0,002 li, wobei u der Schubmodul ist. Die obere Grenze dieses Wertes für Nickeleinkristallfasern liegt ungefähr bei 0,03 p. Für durch Elektroplattierung abgeschiedene Nickelfilme im Rahmen dieser Erfindung liegen die Werte zwischen 0,005 u bis zu einem höchsten Wert von ungefähr 0,01 u. Da der Wert, der für Einkri-

Docket YO 969 093 _2o9815/U6S

stalle angegeben wird, eine obere Grenze ist, haben die einzulagernden Einschlüsse dieser Erfindung Festigkeiten, die näher bei denen der einkristallinen Fasern liegen als bei denjenigen des Materials im kaltbearbeiteten Zustand.

Die Zusammenhänge zwischen Korngröße und Festigkeiten für polykristallines Material im Rahmen dieser Erfindung können leicht aus den theoretischen Daten, die in Fig. IB aufgetragen sind, bestimmt werden. Die Korngröße eines wirklich vorliegenden polykristallinen Materials gemäß dieser Erfindung wird gemessen durch Bestimmung der Länge einer Kante des kleinsten Hexagons, das den größten Teil (die Durchschnittsfläche) des Korns enthalten kann. Bevorzugt werden Korngrößen kleiner als ungefähr 5000 Ä und

-3 -2

normierte Endfestigkeiten in dem Bereich von 10 bis 6 · 10 Die normierten Endfestigkeiten von einkristallinen, mikroskopisch

_2 kleinen Fasern liegen ungefähr in dem Bereich von 2 * 10 bis

-2

6 · 10 . Als Bereich für die Korngröße polykristalliner Filme,

die im Rahmen dieser Erfindung in Verbundstoffen verwendet werden, werden 100 bis 5000 S angegeben. Konventionelles homogenes einkristallines Material hat normierte Endfestigkeiten kleiner als 10~³.

Die normierte Endfestigkeit einer Probe des Materials wird abgeleitet von dem höchsten Wert derselben, der bei einer Dimensionsänderung unter einer angewendeten Kraft auftritt, d.h. es wird die höchste normierte Zugspannung einer Probe angegeben, die bei einer Zugbeanspruchung bis zum Bruch auftritt. Die normierte |

Festigkeit eines Materials ist die Festigkeit einer Probe dividiert j

t durch eine Elastizitätskonstante, beispielsweise den Schubmodul. I

Das Verfahren, in dem Fasern gemäß dieser Erfindung in orientier- I

ter Weise in eine Wirtsmatrix eingebaut werden, wird anhand der j Fign. 5A und 5B beschrieben. In Fig. 5A enthält der Behälter 100 \ die Epoxydwirtsmatrix 102 und Fasern 20, die darin willkürlich f dispergiert sind. Die Spulen 104 und 106 zur Erzeugung des Magnet- [

f. feldes befinden sich auf beiden Seiten des Behälters 100 und sind I

Ϊ Docket YO 969 093 _{20ί816/ηββ} (

als Helmholtz-Spulen ausgebildet zur Erzeugung eines praktisch homogenen Magnetfeldes in dem Behälter 100. Vorrichtungen zur Überwachung und Energiezufuhr sind in den Fign. 5A und 5B nicht gezeigt. In Fig. 5B sind die Helmholtz-Spulen 104 und 106 im stromdurchflossenen Zustand gezeigt, wobei ein Magnetfeld 108 auf die Fasern 20 wirkt und diese in Richtung des Feldes ausrichtet.

Ein Verfahren zur Beschichtung eines Endlosfadens aus plastischem Material für verschiedene Anwendungszwecke dieser Erfindung wird anhand von Fig. 6 beschrieben. In Fig. 6 ist eine Heizstelle mit Heizspiralen 122 umwunden. Von der Fadenspule 124 wird der Faden 126 durch die Düse 128 in die Aufdampfkammer 130, die durch Wandungen 131 begrenzt wird, geführt. Nach der Aufdampfung verläßt der Faden die Kammer durch die Düse 132 und wird auf einer Spule 134 aufgewickelt. Innerhalb der Kammer 130 befindet sich die Heizstelle 120, die den zu verdampfenden Stoff 138 enthält. Die Spulen 124 und 134 und die Kammer 130 sind in einer Vakuumkammer 140 angeordnet, die durch eine Glasglocke 142 auf einer Grundplatte 144 begrenzt ist. Die Kammer 140 wird über den Anschluß 146 mittels einer Vakuumpumpe evakuiert, die nicht gezeigt ist. Als Beispiel wird ein Faden 126 aus Polyäthylenterephthalatharz mit Nickel 138 bedampft.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 kann durch geeignete Abwandlung der Zusammensetzung des Elektrolytbades 66 die spezifische innere Spannung des durch Elektroplattierung abgeschiedenen Films 22 (Fig. 1) auf dem Substratdraht 60 in kontrollierbarer Weise hergestellt werden. Auf diese Weise kann ein bestimmtes Einschlußmaterial mit spezifischer innerer Spannung, ausgewählt aus einem SpannungsSpektrum von Zug zu Druck hergestellt werden. Ein Übersichtsartikel, in dem die Techniken zur Herstellung innerer Spannungen in dünnen Filmen beschrieben sind, ist unter dem Titel "Intrinsic Stress in Fabricated Films" von E. Klokholm und Mitarbeitern in Journal of Electrochemical Society, Vol. 115, Nr. 8 (August 1968) , ab Seite 824 veröffentlich. Aus solchen

VO 969 093 _20981S/_U66

Veröffentlichungen ist bekannt, daß die spezifische innere Spannung mit dem Aufwachsen des Filmens verknüpft ist und daß, wenn das Substratmaterial entfernt oder plastisch verformt wird, die spezifische innere Spannung erheblich geändert wird. Einzuschließende Materialien, die polykristalline Filme der vorliegenden Erfindung enthalten und bestimmte spezifische innere Spannungen besitzen, gestattet die Herstellung von Verbundstoffen, die besonders für bestimmte Belastungen geeignet sind. So kann beispielsweise durch die Herstellung von einzuschließendem Material mit einer spezifischen Druckspannung und Ausrichtung desselben in einer Wirtsmatrix, der eine Zugspannung in Richtung der Orientierung der Einschlüsse mitgeteilt werden soll, ein Verbundmaterial erhalten werden, das resistenter gegen Zubeanspruchung ist als es aufgrund der spezifischen Zugspannungseigenschaften der Wirtsmatrix und der eingelagerten Einschlüsse vorauszusagen ist. In Veröffentlichungen, besonders in dem zitierten Artikel von E. Klokholm ist angegeben, daß die spezifische innere Spannung in Filmen in Abhängigkeit von den Abscheidungsbedingungen, beispielsweise der Temperatur des Substratmaterials, variiert werden kann.

Weiterhin kann durch Variation der Abscheidungs- oder Plattierungsbedingungen beim Aufwachsen eines gegebenen Films auf ein einzuschließendes Material die spezifische innere Spannung in einer solchen Weise variiert werden, daß Biegemomente in dem komplexen einzuschließenden Material vorhanden sind, damit dieses, wenn es in einer Wirtsmatrix in Vorzugsrichtung orientiert wird, einen Verbundstoff ergibt, der gegen ein einwirkendes Biegemoment in vorteilhafter Weise resistent ist.

Die Kathodenzerstäubung ist ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung von einzuschließendem Material im Rahmen dieser Erfindung. Die Herstellung dünner Filme mittels Kathodenzerstäubung ist bekannt. Konventionelle Verfahren sind Aufsprühmethoden unter Verwendung eines Gleichspannungs-, Wechselspannungs- oder Hochspannungsfeldes zur Beschleunigung der Gas-

Docket YO 969 093 ₂ö98iB/HS5

ionen. Bei Gleichspannungskathodenzerstäubung wird ein Gleichspannungspotential von ungefähr 1500-3000 Volt zwischen die Auftreffplatte und eine geerdete Anode angelegt. Gleichspannungskathodenzerstäubung wird im allgemeinen angewendet für leitende Materialien, wobei die Auftreffplatte als Kathode ausgebildet ist. Eine kontinuierliche Bombardierung der Auftreffplatte durch ionisierte Gasatortie bewirkt, daß das Material, aus dem dieselbe besteht, entfernt und auf das Substratmaterial niedergeschlagen wird, welches benachbart zur Anode angeordnet ist.

Bei Wechselspannungskathodenzerstäubung jein niederfrequentes Potential, beispielsweise ungefähr 60 Hz, zwischen die Auftreffplatte und die Anode angelegt und es findet eine geringfügige Zerstäubung der Anode (Substrat) zusätzlich zu der Zerstäubung der Auftreffplattekathode statt. Die vorgegebene Frequenz und das angelegte Potential v/erden jedoch so bestimmt, daß der größte Teil der Zerstäubung von der Auftreffplatte aus stattfindet. Dadurch wird erreicht, daß die Atome aus dem Material der Auftreffplatte sehr rein auf das Substratmaterial niedergeschlagen werden. Bei der Wechselspannungskathodenzerstäubung ist vorteilhaft, daß die Kathodenzerstäubung asymmetrisch durchgeführt werden kann, so daß eine Zerstäubung sowohl von dem Substratmaterial als auch von der Auftreffplatte aus stattfindet. Dies bewirkt eine Reinigung der Substratablagerung und führt zu noch reineren Abscheidungen.

In einem hochfrequenten Kathodenzerstäubungssystem werden Frequenzen in der Größenordnung von 13,56 MHz zwischen die Auftreffplatte und die Anode angelegt. Hochfrequenzkathodenzerstäubung wird vorzugsweise für Abscheidung von isolierenden Materialien angewendet. Eine Auftreffplatte aus isolierendem Material wird relativ zur Substratanode negativ gemacht, so daß eine Glimmentladung dazwischen stattfinden kann. Hochfrequenzkathodenzerstäubung wird im allgemeinen nicht zur Abscheidung von Metallen verwendet. In der Literatur sind jedoch auch Verfahren zur Abscheidung von leitenden Materialien bekannt.

Docket YO 969 093 _Λ . . . . , _ft -

20981 S/1465

Weiterhin ist bekannt, eine Vorspannung an ein Substratmaterial während des AufWachsens des Filmes anzulegen, um eine Reinigung desselben während der Ablagerung zu erreichen. Ein negatives Potential wird an das Substratmaterial angelegt, so daß positive Gasionen auf den wachsenden Film auftreffen und Unreinheiten in demselben in Freiheit setzen. Diese Substrat-Vorspannungstechnik wurde sowohl in Gleichspannungs- wie auch in Hochfrequenzsystemen angewendet, wobei im allgemeinen eine negative Substratvorspannung von ungefähr 100 V angelegt wird.

Eine Vorrichtung zur Herstellung von einzuschließendem Material im Rahmen dieser Erfindung mittels Kathodenzerstäubung ist in Fig. 7 angegeben, in der eine Vakuumkammer definiert ist durch eine Glasglocke 150, welche auf der Basisplatte 152 befestigt ist. Die Anode 154 ist mittels eines Trägers 156 auf der Basisplatte 152 befestigt und ist über die Leitung 158 geerdet. Ein Substratmaterial 160 ist auf der Anode 154 angeordnet, auf dem ein Film 162 mittels Kathodenzerstäubung abgeschieden wird. Die Kathode 164 wird isolierend durch eine Isolatorstütze 166 gehalten, die mittels einer Befestigung 167 in der Basisplatte 152 verankert ist. Das Gas zur Durchführung der Kathodenzerstäubung wird in die Kammer 148 durch die Düse 168 eingeführt. Die Kammer 148 wird mittels einer Vakuumpumpe, die nicht abgebildet ist, über die Düse 170 in der Basisplatte 152 evakuiert. Die Stromquelle 172 ist über die Leitung 174 mit der Kathode 164 verbunden. Die Stromquelle 172 kann als Quelle für Gleichspannungs-, Wechselspannungs- oder Hochspannungskathodenzerstäubung ausgebildet sein. Eine geeignete Kathodenzerstäubungsvorrichtung ist Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung P 20 21 868.2. Die Korngröße des Films 162, der mit der Vorrichtung der Fig. 7 abgeschieden wird, wird kontrolliert durch Überwachung der Temperatur des Substratmaterials 160.

In Fig. 8 ist eine andere Kathodenzerstäubungsvorrichtung zur Herstellung von einzuschließendem Material in Form von Endlosfäden für Verbundstoffe im Rahmen dieser Erfindung dargestellt.

Docket YO 969 093 _AAii,._H/fifi

20981 S / U 6 S

Ein Nickelzylinder 200 ist in der Vakuumkammer 201, die durch die Glasglocke 202 und die Basisplatte 204 definiert ist, angeordnet. Das Gas zur Kathodenzerstäubung wird durch die Düse 206 eingeführt und das Vakuum in der Kammer wird über die Düse 208 durch eine konventionelle, nicht abgebildete Vakuumpumpe erzeugt. Der Substratdraht 211, der mittels Kathodenzerstäubung mit einem überzug versehen wird, wird von der Vorratsrolle 210 abgespult und auf Rolle 212 aufgewickelt. Die Rolle 210 ist bei 214 geerdet. Stromquelle 216 ist über den Leiter 218 mit dem Zylinder 200 verbunden. Stromquelle 216 kann in bekannter Weise Gleichstrom, Wechselstrom oder Hochfrequenz zur Kathodenzerstäubung liefern. Der in der Vorrichtung der Fig. 8 verwendete Draht 211 kann entweder ein Leiter oder ein Nichtleiter sein, der mit einem polykristallinen Film gemäß der Erfindung überzogen wird. Bei Verwendung eines Nichtleiters ermöglicht ein zuerst aufgebrachter dünner überzug aus leitendem Material die Anwendung des Kathodenzerstäubungsverfahrens.

Im folgenden werden die theoretischen Betrachtungen über die Funktion der Wirtsmatrix bei der übertragung von Spannungen auf das eingelagerte Material in einem Verbundstoff zusammengefaßt. Verbundstoffe mit hohen Festigkeiten enthalten ausgerichtete Fasereinschlüsse. Gemäß dem Prinzip der kombinierten Wirksamkeit sind die Spannungen, wenn ein solcher Verbundstoff parallel zur Richtung der Fasern gestreckt wird, in der Faser und in der Matrix faktisch gleich. Unter Spannung wird die Distorsion des Materials verstanden, wenn dieses belastet ist, wobei diese durch die Änderung der ursprünglichen Form des Materials ausgedrückt wird. Belastung ist die extern angewendete Kraft, die die Spannung im Innern des Verbundstoffes hervorruft und wird gemessen in

2 Kraft je Flächeneinheit, beispielsweise in kg/cm . Bisher wurde eine Wirtsmatrix so ausgewählt, daß sie plastisch nachgab oder floß. Daraus folgt, daß wenn die Fasern und die Matrix unter gleicher Belastung sind, die Spannung in den Fasern selbst wesentlich größer ist als in der Matrix, so daß bei der Berechnung der Bruchfestigkeit des Verbundstoffes der Beitrag der Matrix im allgemeinen vernachlässigt werden kann.

Docket YO 969 093 20Ö815/148B

Einige der Fasern/ die unter hoher Belastung stehen, werden brechen, wenn in ihnen Risse vorhanden sind. In den üblichen Verbundstoffen ist jedoch das Vorhandensein solcher Risse im allgemeinen unwichtig, denn die Fortpflanzung des Risses durch das spröde Verstärkungsmaterial wird verhindert durch die Weichheit der Wirtsmatrix.

Die Fortpflanzung von Rissen durch den Verbundstoff wird auch aufgrund einiger anderer Effekte verhindert. Wenn auch bestimmte, der zur Verstärkung eingebauten Fasereinschlüsse unter der hohen Belastung, die auf den Verbundstoff einwirkt, zerstört werden, so kann dies in verschiedenen Ebenen stattfinden. Wenn sich ein Riß durch den Verbundstoff ziehen soll, dann müßte jede der abgebrochenen Fasern aus dem Verbundstoff herausgezogen werden. Es muß Arbeit aufgewendet werden, um die Fasern gegen die Rückhaltekräfte der Wirtsmatrix aus dem Verbundstoff herauszuziehen. Deshalb bewirken die Rückhaltekräfte der Matrix auf die Fasern die Widerstandsfähigkeit gegen Rißfortpflanzung unter den Fasereinschlüssen. Die Arbeit, die aufgewendet werden muß, um die Fasern aus dem Verbundstoff zu ziehen, liefert einen großen Beitrag zu der Brucharbeit in Verbündstoffen, die aus spröden Fasern, eingelagert als Einschlüsse in eine Wirtsmatrix, bestehen, wobei die Brucharbeit eine spezifische Eigenschaft des Verbundstoffes ist und weder der einen noch der anderen Komponente allein zugeordnet werden kann.

Ein anderer Effekt zur Überwachung der Risse in einem Verbundstoff kann auf die Haftung zwischen den Fasern und der Matrix zurückgeführt werden. Der Verbundstoff besitzt keine Festigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Faserrichtung, was vorteilhaft ist, denn der Riß wird entlang der schwachen Grenzfläche abgelenkt, wenn er sich senkrecht zur Faserrichtung auszubreiten beginnt und wirkt nicht schädigend auf bestimmte Eigenschaften in paralleler Richtung zur Orientierung der Fasern in der Wirtsmatrix.

Bei einem Verbundstoff mit Fasereinschlüssen, die in der Wirts-. __ _ 20981S/U85

matrix orientiert sind, bewirkt die Anwendung von Druck Brüche in den Fasern, die auf Stauchung und Scherbeanspruchung zurückzuführen sind. Damit die Fasern einer Knickung unter Druckbeanspruchung widerstehen, sollte die Steifigkeit der Fasern einen Maximalwert besitzen und die Grenzfläche zwischen äen Fasern und der Matrix sollte, um einer Aufspaltung zu widerstehen, eine hohe Zugfestigkeit besitzen. Damit jedoch das Verbundmaterial einer Rißbildung unter Zugbeanspruchung widerstehen kann, wird eine schwache Grenzfläche zwischer der Faser und der Matrix gefordert. Daher mußte bisher bei einem Verbundstoff ein Kompromiß zwischen Zug- und Druckeigenschaften der Fasereinschlüsse geschlossen werden .

Bisher mußte auch ein Kompromiß geschlossen werden bezüglich der Scherbeanspruchung eines Verbundstoffes in einem Winkel zu der Faserrichtung. Gegen Scherbeanspruchung und Druckbeanspruchung sind die bisher bekannten Verbundstoffe im allgemeinen weniger widerstandsfähig als gegen Zugbeanspruchung, d.h., die Festigkeit eines Verbundstoffes ist sehr stark von der Richtung der darin orientierten Fasern abhängig. Bisher wurden, um die geringe Festigkeit eines Verbundstoffes gegen Druck- und Scherbeanspruchung herabzusetzen, laminierte Materialien verwendet. Sperrholz ist beispielsweise ein Verbundstofflaminat, das gegen Schädigung durch Druck- und Scherbeanspruchung widerstandsfähig ist. Es ist bekannt, verschieden orientierte Schichten miteinander zu verschmelzen, um eine hohe Festigkeit in mehreren Richtung zu erzeugen, aber dieses Verbundstofflaminat ist in einer bestimmten Richtung viel schwächer, als wenn alle Fasern in einer Richtung ausgerichtet wären.

Da die Wirtsmatrix eines Verbundstoffes Spannung in offene Fasern überträgt, ist das Prinzip der kombinierten Wirksamkeit gültig, sogar wenn alle Fasern gebrochen sind. Deshalb kann ein Verbundstoff Fasern kurzer Länge enthalten, von denen keine einzige durch die gesamte Wirtsmatrix reicht. Festigkeit in vielen Richtungen kann in dem Verbundstoff erzeugt werden durch Ausrichtung der Fasern in verschiedenen Richtungen, d.h. willkürlich. Obgleich die Materialien mit höchster Festigkeit, die bisher bekannt sind,*

einkristalline, mikroskopisch kleine Fasern sind, hat es sich nicht als wirtschaftlich erwiesen, einen Verbundstoff mit solchen einkristallinen Einschlüssen für praktische Anwendungszwecke herzustellen.

Docket YO 969 093 2 0 9 815/1465

Claims

PATENTANSPRÜCHE

l.| Verbundstoff, bestehend aus einer Wirtsmatrix mit darin eingelagerten Einschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlüsse polykristallines Material enthalten, dessen normierte Endfestigkeit größer ist als die normierte Endfestigkeit eines homogenen Einkristalls aus dem gleichen Material.

Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die normierte Endfestigkeit des polykristallinen Materials der normierten Endfestigkeit einer mikroskopisch kleinen, einkristallinen Faser aus dem gleichen Material nahezu gleich ist.

Verbundstoff nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die normierte Endfestigkeit des polykristallinen Materials größer als 2 · 10 ist und vorzugsweise in einem Bereich von 6 · 10~² bis io"³ liegt.

Verbundstoff nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des polykristallinen Materials kleiner als 5000 8 ist und vorzugsweise in einem Bereich von 100 bis 5000 A* liegt.

Verbundstoff nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Material als Film, Platte, Draht oder als Flocke ausgebildet ist.

Verbundstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polykristalline Material in Form eines Filmes auf einem Substratmaterial angeordnet ist.

Verbundstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der polykristalline Film aus Nickel und das Substratmaterial aus Gold besteht.

Docket YO 969 093 2098 15/146

8. Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß die Wirtsmatrix aus einem Metall, vorzugsweise aus Aluminium besteht.

9. Verbundstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirtsmatrix aus einem Kunstharz, vorzugsweise aus Epoxydharz besteht.

10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß polykristalline Filme durch Elektroplattieren, Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung auf einem Substratmaterial abgeschieden werden und die so hergestellten Einschlußmaterialien in eine Wirtsmatrix eingelagert und gegebenenfalls in derselben ausgerichtet werden.

11. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes nach Anspruch IG, dadurch gekennzeichnet, daß polykristalline Filme in einer bevorzugten kristallinen Orientierung abgeschieden werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den polykristallinen Filmen bei der Abscheidung eine Zug- oder eine Druckspannung erzeugt wird, oder daß diese spannungsfrei abgeschieden werden.

Docket YO 969 093 2 0 9 8 15/1465