DE2164568B2 - Kohlenstoffaser-verstärkter-Aluminiumverbund werkstoff - Google Patents

Kohlenstoffaser-verstärkter-Aluminiumverbund werkstoff

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Description

55
Die Erfindung bezieht sich auf einen Aluminiumverbundwerkstoff, der mit Kohlenstoffasern verstärkt Ist. Dieser Werkstoff soll nachstehend als kohlenstofflaserverstärkter Aluminiumverbundwerkstoff bezeich- 6c net werden.
In neuerer Zeit werden glasfaserverstärkte Kunststoffe für viele Anwendungszwecke eingesetzt. Die faserverstärkten Kunststoffe haben jedoch einen schwerwiegenden Nachteil, nämlich, daß es ihnen an Her notwendigen Wärmcbcständigkcit :naiiijelt. Somit sind metallische Verbundwerkstoffe anzustreben, die mit verschiedenen Fasern verstärkt sind.
Da faserverstärkte Metallverbundwerkstoffe sich von den herkömmlichen Materialien beispielsweise hinsichtlich der Festigkeit, der Herstellung usw. unterscheiden, müssen zu ihrer Entwicklung viele Probleme gelöst werden.
Über faserverstärkte Aluminiumverbundwerksioffe sind bereits Untersuchungen durchgeführt worden. Dabei wurden als Verstärkungsmaterialiei; Borfasern verwendet. Als Verstärkungsmaterial für Aluminium sind aber Kohlenstoffasern geeigneter als Borlasern. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Kohlenstofffasern eine niedrigere Dichte besitzen, wärmebeständiger, billiger und daher für die Massenproduktion geeigneter sind.
Die Verwendung von Kohlenstoffasern ist bislang noch nicht erfolgreich gewesen. Dies is; auf die Tatsache zurückzuführen, daß keine Benetzung zwischen Aluminium und Kohlenstoffasern erfolgt. Bei faserverstärkten Metallverbundwerkstoffen müssen folgende notwendigen Bedingungen erfüllt sein:
(1) Eine gute Benetzbarkeit zwischen der Matrix und den Fasern.
Eine schlechte Haftung zwischen der Matrix und den Fasern führt zu einer Abtrennung der letzteren, da die auf den Verbundwerkstoff einwirkenden Spannungen nicht genügend von der Matrix zu den Fasern weitergegeben werden können. Dies führt zu einem frühen Bruch des Verbundwerkstoffs. Aus diesem Grunde ist eine innige Haftung ein Haupterfordernis.
(2) Ein Fasergehalt, der größer ist als das kritische Volumen (V,.nt).
Wenn der Fasergehalt unterhalb des kristischen Volumens liegt, dann ist die mechanische Festigkeit des Verbundwerkstoffes niedriger als diejenige der Matrix selbst.
Nach »The principles of the fiber reinforcement of metals« von A. Kelly und G. J. D a ν i e s, Metallurgical Review, Vol. 10, 1 bis 78 (1965). errechnet sich der Wert für das kritische Volumen VUrU nach folgender Gleichung:
.1.
I r OjJl CT,,, '
Of — CTf,! ~
Darin bedeutet α, die Zugfestigkeit der Fasern, o,„ die Zugfestigkeit der Matrix und om t die Zugspannung, die von der Matrix getragen wird, wenn die Fasern bis zu ihrer Zerreißfestigkeit gedehnt werden.
Wenn die Matrix aus Aluminium besteht und die Fasern Kohlenstoffasern sind, dann betragen die Werte für ft,,,,, n,„ bzw. a, 2,8, 10 bzw. 250 kp/mm-'. In einem solchen Fall ist der Wert für V,,ril etwa 3" o. Daher müssen die Kohlenstoffasern in einer Menge von mindestens 3 Volumprozent zur Verstärkung der Matrix verwendet werden.
Es muß nicht besonders ausgeführt werden, daß das Aluminium die gesamte Oberfläche jeder Kohlcnstoffaser umfassen muß. Obgleich die Menge der Kohlenstoffasern nicht beschränkt ist, ist doch die maximale Menge der Kohlenstofffasern auf eine solche Menge begrenzt, daß im wesentlichen aiic Spalten zwischen den Fasern mit Aluminium vefüllt werden.
(3) Fasern mit einer hohen Zugfestigkeit.
Es muß nicht besonders darauf hingewiesen werden, daß geeignete Fasern eine Zugfestigkeit haben müssen, die größer ist als diejenige der Matrix. Es sind verschiedene Arten von Kohlen- jS s'toffasern erhaltlich, deren Zugfestigkeit hauptsächlich je nach Hersieüungsmr.hiide variiert. Kohlenstoffasern mit einer Zugfestigkeit von etwa 50 bis 300 kp/mm- werden heroestejlt und sind im Handel erhältlich. Naturgemäß müssen die mit Kohlenstoffasern verstärkten Aluminiümverbundwerkstoffe unter solchen Bedingungen hergestellt werden, daß die Zugfestigkeit der Kohlenstoffasern verschlechtert wird. Da der Schmelzpunkt des Aluminiums bei etwa 660 C liegt, wird da:, Verbundmaterial bei Temperaturen von mehr als 660° C, aber unterhalb von Temperaturen hergestellt, bei welchen die Kohlenstoffasern unter Karbidbildung verspröden.
(4) Ein geringer Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Matrix und den Kohlenstoffasern.
Da ein großer Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten die Grenzflächenhaftung zwischen der Matrix und den Fasern beeinträchtigt, muß dieser Wert gering sein. Der Unterschied des Koeffizienten zwischen Aluminium und den Kohlenstoffasern ist nicht so groß, daß die Haftung verschlechtert wird.
Unter den obengenannten Erfordernissen ist die wichtigste Bedingung die Benetzbarkeit, wenn die Matrix aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff sind.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen neuen kohlenstoffaserverstärkten Aluminiumverbundwerkstoff mit guter Haftung zwischen der Matrix und den Fasern zur Verfügung zu stellen.
Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß dieses Ziel erreicht werden kann, indem die Benetzbarkeit zwischen Aluminium und den Kohlenstoffasern mit Hilfe einer auf die Kohlenstoffasern aufgebrachten Karbidschichl verbessert werden kann.
Es waren zwar bereits Verbundkörper auf Basis einer Alurnmiurnrnainx mit eingebcUeien Kohlenstoffasern bekannt, die mit einem kontinuierlichen Oberflächenüberzug aus Tantal versehen waren (GB-PS 11 85 349). Zu diesem Zweck mußten jedoch die verwendeten Kohlenstoffasern zunächst in gesonderten Verfahrensschritten, beispielsweise durch elektrolytisches Auftragen, mit dem Überzug von metallischen Tantal versehen werden, und es besieht offensichtlich keine Möglichkeit einer Reaktion unter Karbidbildung.
Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, bei der Herstellung von kohlenstoffaserverstärklen Verbundwerkstoffen die verwendeten Kohlenstoffasern zuerst gesondert mit einem Übergangsmctallkarbid oder einer Legierung aus mehreren Übergangsmetallkarbiden zu beschichten und danach die so beschichteten Fasern als Verstärkungsmaterial in das Matrixmetall einzubringen. Bei diesem Verfahren entstellt ein makroskopischer Karbidfilm auf den Kohlenstofffasern (DT-OS 20 43 924).
Gemäß einem anderen älteren Vorschlag (DT-OS 2121 yoy) wird ein Verbundkörper aus einem metallischen Grundmaterial und einem kohlenstoffhaltigen Materia! hergestellt, indem das metallische Grundmaterial, das einen Karbidbildner enthält, mit dem einzubettenden kohlenstoffhaltigen Material auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des 5-Grundmaterials erhitzt wird. Die Herstellung des Verbundkörpers erfolgt also in fester Phase.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von den älteren Verfahren dadurch, daß in einfacher Weise ein kohlenstoffaserverstärkter Aluminiumverbundwerkstoif hergestellt werden kann, in welchem die verstärkenden Kohlenstoffasern eine gleichmäßige, monomolekulare Karbidschicht aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist ein kohlenstoffaserverstärkter Aluminiumverbundwerkstoff, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine Aluminiumlegierungsmatrix mit mindestens einem gegenüber Kohlenstoff reaktionsfähigen Legierungselement, das bei der Umsetzung mit den Kohlenstoffasern einen negativen Wert der freien Standardenthalpie zeigt, deren absoluter Betrag größer ist als derjenige der Änderung der freien Standardenthalpie bei der Umsetzung von Aluminium mit Kohlenstoffasern, und in diese Matrix einzeln und vorzugsweise parallel eingebettete Kohlenstoffasern in einer Menge giößer als das kritische Volumenverhältnis enthält, deren Oberflächen mit einem moaomolekuiaren Karbidfihn bedeckt sind, der durch Umsetzung des Kohlenstoffes mit dem Legierungselement während des Eintauchens der Kohlensloffasern in die geschmolzene Aluminiumlegierung gebildet wurde.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffaserverstärkten Aluminiumverbundwerkstoffes durch Eintauchen von Kohlenstoffasern in eine Aluminiumlegierungsmatrix und anschließende Verfestigung des Verbundwerkstoffes, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kohlenstoffasern einzeln und vorzugsweise parallel in einer Menge größer als das kritische Volumenverhältnis bei einer Temperatur von nicht mehr als 1100 C in eine geschmolzene Aluminiumlegierung mit einem gegenüber Kohlenstoff reaktionsfähigen Legierungselement eingetaucht werden, dessen freie Standardenthalpie bei der Umsetzung mit den Kohlenstoffasern negativ und ihrem absoluten Wert nach größer als diejenige bei der Umsetzung von Aluminium mit Kohlenstoff ist.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Diagramm, das die Änderung der freien Standardenthalpie der karbidbildendei: Reaktion darstellt.
Zur Bildung eines Karbids auf der Oberfläche der Kohlenstoffasern wird der Aluminiummatrix unter Bildung einer Aluminiumlegierung ein Element zugesetzt, das gegenüber Kohlenstoff reaktionsfähig ist. Bei diesem Vorgehen dient das Legierungselement nicht immer als Element zur Verbesserung oder Veränderung der mechanischen oder anderer physika-"60 lischer Eigenschaften des Aluminiums.
Auch das Aluminium kann sich mit Kohlenstoff bei relativ hohen Temperaturen, wie 11000C oder mehr, unter Bildung eines Karbids umsetzen. Die Umsetzung verläuft nach der Gleichung 4/3 Al + C -v 1 /3 Al4C1
Obgleich das Aiüininiumkarbid Ai4C., eine gute Benetzbarkeit mit Aluminium hat, besitzt es doch
den Nachteil, daß es sehr spröde ist. Da die Bildung von Al4C, bei hohen Temperaturen sehr rasch vonstatten geht, ist diese während der Herstellung des Verbundwerkstoffes schwierig unter Kontrolle zu halten. Im Ergebnis werden sämtliche Kohlenstofffasern zu AI4C3 umgewandelt und das Verbundmaterial wird sehr spröde. Angesichts der obigen Umstände sollte das Karbid nur an der Oberfläche der Kohlenstoffasern gebildet werden.
Es ist auch erforderlich, daß das gegenüber Kohlenstoff reaktionsfähige Element eine größere Affinität zu Kohlenstoff besitzt als zu Aluminium. Die Unterscheidung der Reaktionsgeschwindigkeiten der Karbidbildung kann auf Grund der Änderung der freien Standardenthalpie (Δ G0) nach der BiI-dung des Karbids durch Umsetzung des zugegebenen Elements und der Kohlenstoffasern geschehen.
Die Figur zeigt die Änderung der freien Standardenthalpie (Δ ^1") der karbidbildenden Elemente während der Reaktion. Aus der Figur wird ersichtlich, daß ein Element mit einem negativen A*j"-wert und einem größeren absoluten Wert die Reaktion stärker beschleunigt.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß geeignete Elemente vorzugsweise bei Temperaturen von 1000° C oder weniger einen Wert für die Änderung der freien Standardenthalpie haben, der geringer ist als derjenige des Aluminiums.
Es wurde somit gemäß der Erfindung festgestellt, daß fast sämtliche Elemente mit einem negativen Wert für die Änderung der freien Standardenthalpic die gewünschte Benetzung ergeben, und zwar selbst dann, wenn die Änderung etwas geringer ist als für Aluminium.
Aus der Figur wird ersichtlich, daß geeignete Eicmente Cr, Ce, V, U, Th, Nb, Si, Mo, Fei+3), Ta, Ti. Zr, W, Hf, Co(+4) und/oder Mn sind.
Da die Bildung von AI4C1 nicht erwünscht ist, wird die Herstellung des Verbundwerkstoffes vorzugsweise bei Temperaturen vorgenommen, bei welchen sich der Kohlenstoff mit dem Aluminium nicht umsetzt, d.h. bei Temperaturen von NOO0C oder weniger. Es wurde gefunden, daß 1000° C als Herstellungstemperatur vorzuziehen sind, um eine unerwünschte Reaktion zwischen Kohlenstoff und Aluminium zu vermeiden.
Die Menge der zu der Aluminiummatrix zugegebenen Elemente wird daher durch den Schmelzpunkt der das Element enthaltenden Legierungen bestimmt. Aluminiumlegierungen mit einem Schmelzpunkt von weniger als 1000° C sind z. B. AI-Zr (2°/o oder weniger), Al-Ti (5% od. w.), Al-Cr (18% od. w.), Al-V (5 0Zo od. w.), AI-Nb (12°/ood.w.), Al-Mo (1 »/ood.w.), AI-Fe (16% od. w.).
Die jeweiligen Elemente sollten in solchen Mengen zugesetzt werden, daß praktisch die gesamten Oberflächen der Kohlenstoffasern mit einem dünnen Karbidfilm bedeckt sind.
Nach den durchgeführten Berechnungen sind etwa 3· 10 r> Mol je ecm der Kohlenstoffasern die Minimalmengc der jeweiligen Elemente. Dabei wird angenommen, daß auf den Oberflächen der Kohlenstofffasern ein Molekülfilm gebildet wird. Die maximale Menge des Elements bestimmt sich durch den Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung, die das EIement enthält. Da der Schmelzpunkt mit der Menge des Elements zunimmt, ist die MaNimalmenge durch den Schmelzpunkt der Matrix begrenzt. Es sollte vermieden werden, das Element in einer solche Menge zuzugeben, daß der Schmelzpunkt der Matri höher als die Temperatur ist, bei welcher eine stark Umsetzung des Aluminiums mit dem Kohlenstof erfolgt.
Durch Einstellung der Menge des zugegebenen Elements kann die Menge der Kohlenstoffasern, dii sich damit umsetzen, unter Kontrolle gehalten wer den. Weiterhin kann die gebildete Karbidschicht eim Schranke bilden, um die Reaktion zwischen den Aluminium und den Kohlenstoffasern unter Kon trolle zu halten.
Bei der Herstellung des kohlenstoffaserverstärktcr Aluminiumverbundwerkstoffes der Erfindung ist c: zweckmäßig, das Aluminium am Anfang mit deir karbidbildenden Element zu legieren. Wenn orien tierle Kohlenstoffasern in die geschmolzene Lcgie rung eingetaucht werden, dann erfolgt die Umsetzung des zugegebenen Elements mit den Kohlenstolfaserr augenblicklich unter Bildung des Karbids.
Die Matrix kann eine Legierung sein, die ein Element, wie Kupfer, einhalt, das kein Karbid bildet Auch in diesem Fall kann das Vorliegen einer Karbidschicht, wie sie oben beschrieben wurde, die Benetzbarkeit zwischen der Matrix aus der Aluminiumlegierung und den Kohlenstoffasern erhöhen.
Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.
Beispiel 1
Eine Aluminiumlegierung mit 0,5% Titan wurde in einer Vakuumkammer unter einem Druck von 2 bis 5-10(immHg auf 800° C erhitzt und im geschmolzenen Zustand gehalten. Kohlenstoffasern mit einer Zugfestigkeit von 250 kp/mm2 und einem elliptischen Querschnitt mit einem größeren Durchmesser von 9 um und einem kleineren Durchmesser von 4 |im wurden gesondert gebündelt und parallel in ein Aluminiumoxidrohr eingelegt, dessen eines Ende geschlossen war. Das Rohr wurde sodann in die Vakuumkammer gegeben, um es darin zu erhitzen. Auf diese Weise wurden die Kohlenstoffasern einer Entgasungsbehandlung unterworfen.
Hierauf wurde das Aluminiumoxidiohr, dessen innerer Durchmesser 2 cm und dessen Länge 15 cm betrug, und das die Kohlenstoffasern enthielt, mit dem offenen Ende nach unten gerichtet in das Schmelzbad aus der Aluminium-Titan-Legierung eingetaucht. In die Vakuumkammer wurde sodann Argongas bis zu einem Druck von 1 Atmosphäre eingeleitet.
Die geschmolzene Aluminium-Titan-Lcgicrung wurde nach oben unter Füllung der Spalten zwischen den Kohlenstoffasern gedruckt. Zum gleichen Zeitpunkt erfolgte an der Oberfläche der Kohlenstofffasern eine Reaktion mit dem Titan unter der Bildung von Titankarbid TiC. Der Anteil an Kohlenstoffasern betrug 33 Volumprozent. Die Titanmenge betrug etwa 2 · 10^4 MoI je ecm der Kohlenstoffascrn.
Die Zugfestigkeit des Vcrbundmatcrials betrug 79 kp/mm2. Da die Zugfestigkeit des reinen Aluminiumgusses etwa 10 kp/mm2 beträgt, kann somit durch die Erfindung die Zugfestigkeit auf das etwa Achtfache gesteigert werden.
Beispiel 2
Wie im Beispiel I wurde ein kohlenstoffaserverstärktcr Verbundwerkstoff aus Aluminium mit 0,5 0O Zirkonium an Stelle des Titans hergestellt. Jedoch
betrug der Kohlenstoffascrgehalt 25 Volumprozent. Die Zirkoniummenge betrug etwa 1-10 4 Mol je ecm der Kohlenstoffasern. Dieser Verbundwerkstoff hatte eine Zugfestigkeit von 50 kp/mm2.
Beispiel 3
Wie im Beispiel 1 wurde ein kohlenstoft'aserverstärkter Verbundwerkstoff aus Aluminium mit 1" u Chrom als karbidbildendes Element hergestellt. Die Temperatur, auf welcher die Aluminiumlegierung gehalten wurde, betrug 750 ' C. Der Gehalt an Kohlenstoffasern betrug 50 Volumprozent. Die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes betrug 115 kp/mm2.
Beispiel 4
Eine Aluminiumlegierung mit 0,5% Titan wurde in einer Vakuumkammer mit einem Druck von 2 bis 5· 10-6mmHg auf 800° C erhitzt und im geschmolzenen Zustand gehalten.
Kohlenstoffasern mit einem elliptischen Querschnitt mit einem größeren Durchmesser von 9 μΐη und einem kleineren Durchmesser von 4 μιη wurden gebündelt und parallel in ein Aluminiumoxidrohr eingelegt, dessen beide Enden offen waren. Das Rohr wurde durch einen Halter an einem Ende mit einer Vakuumpumpe verbunden und in die Vakuumkammer zum Erhitzen gebracht. Auf diese Weise wurden die Kohlenstoffasern einer Entgasungsbehandlung bei einem Druck von 2 bis 8 · 10~6mmHg unterworfen.
Sodann wurde das die Kohlenstoffasern enthaltende Aluminiumrohr mit dem freier» Ende nach unten gerichtet in das Schmelzbad aus der Aluminium-Titan-Legierung eingetaucht. Hierauf wurde in die Vakuumkammer bis zu einem Druck von 1 bis 10 mmHg Argongas eingeleitet.
Die geschmolzene Aluminium-Titan-Legierung wurde in das Aluminiumoxidrohr unter Füllung der Lücken zwischen den Kohlenstoffasern eingesaugt. Zur gleichen Zeit erfolgte an der Oberfläche der Kohlenstoffasern eine Umsetzung mit Titan unter Bildung von Titankarbid TiC.
Der Kohlenstoffascrgehalt des in dem Aluminiumoxidrohr hergestellten kohlenstoffaserverslärktcn AIuminiumverbundwerkstoffcs betrug 37 Volumprozent. Die Zugfestigkeit betrug 81 kp/mm-.
Aus den obigen Beispielen wird erkennbar, daß durch die Erfindung Aluminiumverbundwerkstoffe hergestellt werden können, die mit Kohlenstoffasern verstärkt sind.
Auf Grund der höheren Wärmebeständigkeit und der niedrigeren Dichte sowie der geringeren Kosten der Kohlenstoffasern sind diese für die Massenproduktion besser geeignet als die Borfasern. Der Erfolg der Verwendung dieser Kohlenstoffasern für die Verstärkung von Aluminium ist in der Praxis sehr signifikant. Für Zwecke der Luftfahrtindustrie ist die Verringerung der Dichte von Bedeutung.
Es ist bekannt, daß die mechanische Festigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit des Verbundmaterials, das nicht in einer Richtung orientierte Fasern enthält, nur etwa ein Drittel bis etwa ein Fünftel des entsprechenden Werts für Verbundmaterialien beträgt, die mit in einer Richtung orientierten Fasern versehen sind. Es ist daher zweckmäßig, daß alle in der Aluminiummatrix enthaltenen Kohlenstoffasern in einer Richtung orientiert sind. Die Erfindung soll aber nicht auf die Verwendung von orientierten Fasern beschränkt sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen S09 524/2:

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Kohlenstoffaserverstärkter Aluminiumverbundwerkstoff, dadurch ge kennzeich- S net, daß er eine Aluminiumlegierungsmatrix mit mindestens einem gegenüber Kohlenstoff reaktionsfähigen Legierungselement, das bei der Umsetzung mit den Kohlenstoffasern einen negativen Wert der freien Standardenthalpie zeigt, deren absoluter Betrag größer ist als derjenige der Änderung der freien Standardenthalpie bei der Umsetzung von Aluminium mit Kohlenstoffasern, und in diese Matrix einzeln, vorzugsweise parallel eingebettete Kohlenstoffasern in einer Menge größer als das kritische Volumenverhältnis enthält, deren Oberflächen mit einem monomolekularen Karbidfilm bedeckt sind, der durch Umsetzung des Kohlenstoffes mit dem Legierungselement während des Eintauchens der Kohlenstofffasern in die geschmolzene Aluminiumlegierung gebildet wurde.
2. Kohlenstoffaserverstärkter Aluminiumverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des mit dem Kohlenstoff reagierenden Legierungselements größer als 3 · 10-° Mol je cm3 der Kohlenstoffasern, aber geringer als die Menge ist, auf Grund welcher der Soliduspunkt der Matrix höher als 1100 C ist.
3. Kohlenstoffaserverstärkter Aluminiumverbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des mit dem Kohlenstoff reagierenden Legierungselements so bemessen ist, daß der Soliduspunkt der Matrix 1000 C beträgt.
4. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffaserverstärkten Aluminiumverbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durch Eintauchen von Kohlenstoffasern in eine Aluminiumlegierungsmatrix und anschließende Verfestigung des Verbundwerkstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern einzeln, vorzugsweise parallel, in einer Menge größer als das kritische Volumenverhältnis bei einer Temperatur von nicht mehr als HOO0C in eine geschmolzene Aluminiumlegierung mit einem gegenüber Kohlenstoff reaktionsfähigen Legierungselement eingetaucht werden, dessen freie Standardenthalpie bei der Umsetzung mit den Kohlenstoffasern negativ und ihrem absoluten Wert nach größer als diejenige bei der Umsetzung von Aluminium mit Kohlenstoff ist.
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GB (1) GB1331728A (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2649704A1 (de) * 1975-10-29 1977-06-02 Hitachi Ltd Kupfer-kohlenstoffaser-verbundmaterialien und verfahren zu ihrer herstellung
DE2657685A1 (de) * 1976-09-01 1978-03-02 Res Inst Iron Steel Siliciumcarbidverstaerkte verbundstoffe und verfahren zu deren herstellung
US4402744A (en) 1973-03-12 1983-09-06 Union Carbide Corporation Chemically bonded aluminum coating for carbon via monocarbides
DE2953015C1 (de) * 1978-08-11 1984-08-30 Hitachi Chemical Co., Ltd., Tokio/Tokyo Verfahren zur Herstellung von Graphitteilchen enthaltenden Aluminiumlegierungen

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4347083A (en) * 1973-03-12 1982-08-31 Union Carbide Corporation Chemically bonded aluminum coating for carbon via monocarbides
CA1045919A (en) * 1973-03-12 1979-01-09 Raymond V. Sara Chemically bonded aluminum coating for carbon via monocarbides
US4252856A (en) 1973-03-12 1981-02-24 Union Carbide Corporation Chemically bonded aluminum coated carbon via monocarbides
US4072516A (en) * 1975-09-15 1978-02-07 Fiber Materials, Inc. Graphite fiber/metal composites
US4834693A (en) * 1980-06-26 1989-05-30 Avco Corporation Hybrid drive shaft
US4662955A (en) * 1985-10-09 1987-05-05 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method of thermal strain hysteresis reduction in metal matrix composites
US4962070A (en) * 1985-10-31 1990-10-09 Sullivan Thomas M Non-porous metal-oxide coated carbonaceous fibers and applications in ceramic matrices
US4941669A (en) * 1988-01-24 1990-07-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fiber-reinforced piston ring for internal combustion engine
US5273833A (en) * 1989-12-20 1993-12-28 The Standard Oil Company Coated reinforcements for high temperature composites and composites made therefrom
GB2247636A (en) * 1990-08-03 1992-03-11 Atomic Energy Authority Uk The manufacture of composite materials
US5697421A (en) * 1993-09-23 1997-12-16 University Of Cincinnati Infrared pressureless infiltration of composites
AT406837B (de) * 1994-02-10 2000-09-25 Electrovac Verfahren und vorrichtung zur herstellung von metall-matrix-verbundwerkstoffen
US5544896A (en) * 1995-02-06 1996-08-13 Alliedsignal Inc. Composite face seal
US20030024611A1 (en) * 2001-05-15 2003-02-06 Cornie James A. Discontinuous carbon fiber reinforced metal matrix composite
BR112012012525A2 (pt) * 2009-12-01 2019-09-24 Applied Nanostructured Sols materiais compósitos de matriz elétrica contendo materiais de fibra infundidos com nanotubos de carbono e métodos para produção dos mesmos
CA2785803A1 (en) 2010-02-02 2011-11-24 Applied Nanostructured Solutions, Llc Carbon nanotube-infused fiber materials containing parallel-aligned carbon nanotubes, methods for production thereof, and composite materials derived therefrom
US9017854B2 (en) 2010-08-30 2015-04-28 Applied Nanostructured Solutions, Llc Structural energy storage assemblies and methods for production thereof
KR101740883B1 (ko) 2016-03-04 2017-05-30 한국과학기술연구원 교반주조법을 이용한 탄소섬유 강화 알루미늄 복합재의 제조방법
WO2019243866A1 (en) 2017-09-26 2019-12-26 Norse Biotech As Metal composites
US11667996B2 (en) * 2017-12-05 2023-06-06 Ut-Battelle, Llc Aluminum-fiber composites containing intermetallic phase at the matrix-fiber interface
RU2759840C1 (ru) * 2020-09-29 2021-11-18 Общество с ограниченной ответственностью «ЦФАЛ» Композитный материал с алюминиевой матрицей и углеродным волокном и способ его получения.
CN115747591B (zh) * 2022-11-28 2024-02-13 凤阳爱尔思轻合金精密成型有限公司 一种高韧性铝合金材料及其制备工艺

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3473900A (en) * 1967-02-21 1969-10-21 Union Carbide Corp Aluminum-carbon fiber composites

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4402744A (en) 1973-03-12 1983-09-06 Union Carbide Corporation Chemically bonded aluminum coating for carbon via monocarbides
DE2649704A1 (de) * 1975-10-29 1977-06-02 Hitachi Ltd Kupfer-kohlenstoffaser-verbundmaterialien und verfahren zu ihrer herstellung
DE2657685A1 (de) * 1976-09-01 1978-03-02 Res Inst Iron Steel Siliciumcarbidverstaerkte verbundstoffe und verfahren zu deren herstellung
DE2953015C1 (de) * 1978-08-11 1984-08-30 Hitachi Chemical Co., Ltd., Tokio/Tokyo Verfahren zur Herstellung von Graphitteilchen enthaltenden Aluminiumlegierungen

Also Published As

Publication number Publication date
JPS4918891B1 (de) 1974-05-14
DE2164568A1 (de) 1972-09-07
GB1331728A (en) 1973-09-26
US3871834A (en) 1975-03-18

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