DE2501024C2

DE2501024C2 - Verbundkörper

Info

Publication number: DE2501024C2
Application number: DE19752501024
Authority: DE
Inventors: Paul F. Chelmsford Mass. Jahn; Walter L. West Concord Mass. Lachmann; Robert A. Cape Elizabeth Me. Penty
Original assignee: FIBER MATERIALS Inc BIDDEFORD ME US
Current assignee: FIBER MATERIALS Inc BIDDEFORD ME US
Priority date: 1975-01-13
Filing date: 1975-01-13
Publication date: 1985-09-26
Also published as: DE2501024A1

Description

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gefähr 7 μπι, und die Dicke des die Oberflächenschicht bildenden Oberzugs beträgt etwa 1 χ 10-⁸ m, so daß zum Zwecke der besseren Obersicht die Relativdicke des Oberzugs in der Zeichnung übertrieben dargestellt wurde. Die Pasern sind in einer Metailmatrix 22 eingebettet, die aus Magnesium, Blei, Zink, Zinn und verschiedenen Legierungen dieser Metalle, z. E. Aluminium-Silizium-Legierungen besteht

Um ein Einsickern der Flüssigkeit beim Eintauchen des Faserbündels in die Flüssigkeit zu gewährlei&ien, muß die Flüssigkeit die Faseroberflächen benetzen. Wie erwähnt, benetzen geschmolzene Metalle, wie z. B. Aluminium und Kupfer, Graphit nicht in einfacher Weise. Infolgedessen sieht die Erfindung auf den Oberflächen der Graphit-Fasern einen Überzug eines Benetzungsmittels vor. Dieser Oberzug besteht aus einer im wesentlichen gleichförmigen Oberflächenschicht, vorzugsweise in einer Dicke zwischen 1 und 100 χ 10~⁸m aus Tilan-Borid, hiervon. Es gibt zahlreiche Verfahren zum Oberziehen der Fasern. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Dampfphasenablagerung bevorzugt, wobei das Material des Überzugs infolge der gleichzeitigen Reduktion einer Mischung einer gasförmigen Verbindung von Titan und einer gasförmigen Verbindung von Bor abgelagert wird. Die Dampfablagerungstechnik an sich ist zur Herstellung von Überzügen bekannt und sie wird gewöhnlich bei einer Temperatur zwischen 900 und 1400⁰C durchgeführt Es ist z. B. bekannt daß z. B. Hafnium-Borid als Überzug aus einer Mischung von gasförmigen Hafnium-Chlorid und Bor-Trichlorid abgelagert werden können, indem eine Reduktion duith Wasserstoffgas bewirkt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Dampfablagerung mit einer Reduktion einer Mischung von Titan-Tetrachlorid und Bor-Trichlorid mit Zink-Dampf als Reduktionsmittel bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur. Die Benutzung von Zink, das als Verzögerungsmittel wirkt, ermöglicht eine Vielfalt von Reaktionen, wodurch das Verfahren besser überwacht werden kann.

Wenn z. B. das relative Gewichtsverhältnis von Bor-Trichlorid zu Titan-Tetrachlorid einer Mischung niedrig ist (/.. B. niedriger als 1/3), bildet der Überzug auf der Faser eine Mischung von Titan-Karbid und Borid, deren annähernde Zusammensetzung im wesentlichen als TiB gekennzeichnet werden kann. Bei höheren Verhältnissen der Zusammensetzung nähert sich der Überzug einer Zusammensetzung TiB₂.

Die vorstehenden Erläuterungen können durch die nachfolgenden Reaktionen erklärt werden, die vermutlieh in der Gasphase an der Graphitfaseroberfläche während des Ablagerungsverfahrens auftreten. Es wird angenommen, daß die beiden ersten Gleichungen die Reduktionsprozesse ausdrucken, die dabei auftreten.

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TiCI₄ + Zn—TiCI₂+ ZnCI₂ (1)

2BCI3 + 3 Zn — 2 B + 3ZnCl₂

(2)

Es wird angenommen, daß das so erzeugte Bor und der Kohlenstoff der Fasern mit dem Titandichlorid etwa wie folgt reagieren:

2TiCI₂ + XB-TiB_x + TiCl₄
2TiCI₂ + C-TiC + TiCl₄

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Aus der Gleichung (3) ergibt sich, daß dann, wenn Bor-Halogen im Überschuß vorhanden ist d. h. X in der Gleichung (3) bei dem Wert 2 liegt, die Verbindung TiB₂ auf den Fasern entsteht

Die Fasern mit dem Oberzug werden dann durch ein Bad gezogen, welches die Matrixschmelze enthält; da die Fasern benetzt werden, erfolgt eine Ausfüllung der Hohlräume zwischen den Fasern. Die gesamte Abfüilung kann bei Umgebungsdruck vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre, wie z. B. Argon oder dergL, durchgeführt werden. Das Ganze wird dann unter die Solidus-Temperatur der Matrix abgekühlt wodurch sich ein Festkörper ergibt Das Verbundmaterial, das in Form von Drähten, Stangen, Bändern oder Flachmaterial hergestellt wird, kann bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der Matrix zusammengebracht werden, um größere Verbundkörper beliebiger Gestalt zu formen, z. B. Stangen, Winkelstücke oder Platten. Falls erforderlich, kann während des Pressens dieser Formkörper überschüssiges Metall aus dem Verbundkörper ausgequetscht werden, um den Volumengehalt der Fasern zu erhöhen.

Die nachstehenden Beispiele veranschaulichen Möglichkeiten der Herstellung eines Verbundkörpers.

Beispiel 1

Graphit-Garn mit etwa 11 000 Einzelfasern mit einem Modul von 5Ox 10⁶ wurden einer Dampf-Reaktionsmischung ausgesetzt die aus 0,38% TiCU, 0,21% BCI3, und 0,80% Zn enthielt wobei der Rest aus Argon bestand (sämtliche Prozentsätze beziehen sich auf Gewichtsprozente). Die Gasmischung wurde auf einer Temperatur von 650° C 30 Minuten lang gehalten, um einen Überzug von etwa 2 χ 10~⁸ m zu erhalten. Es wurde angenommen, daß dieser Überzug auf den Garnfasern im wesentlichen aus TiB₂ bestand. Die überzogenen Fasern wurden dann unter Argon einer Matrixschmelze zugeführt, die aus einer Aluminium-Silizium-Legierung bestand, und sie wurden in dem Bad bei 650⁰C zwei Minuten eingetaucht gehalten. Der resultierende Metall-Faser-Verbundkörper wurde dann aus dem Bad entnommen und unter die Solidus-Temperatur der Legierung abgekühlt. Ein Querschnitt entlang der Längsachse der Fasern durch den Verbundkörper erscheint wie in der Zeichnung dargestellt

Eine Zahl von Abschnitten des im Beispiel 1 beschriebenen Verbundkörpers wurde in einem Graphit-Gesenk unter Vakuum bei 600⁰C fünf Minuten lang heißgepreßt, um eine Verbundplatte zu erhalten, die 15 cm lang, 1,3 cm breit und 0,13 cm dick war.

Beispiel 2

Graphit-Garn ähnlich dem gemäß Beispiel 1 wurde einer ähnlichen Gasmischung ausgesetzt, wobei die Zusammensetzung jedoch wie folgt getroffen war:

0,38 Gewichtsprozent TiCl₄, 0,14 Gewichtsprozent BCI3 und 0,80 Gewichtsprozent Zn, wobei der Rest Argon war. Die Fasern wurden jener Gasmischung bei 650⁰C 30 Minuten lang ausgesetzt und unter Argon einer Matrixschmelze zugeführt, die aus einer Bronzelegienmg mit etwa 90 Gewichtsprozenten Kupfer und 10 Gewichtsprozenten Zinn einer Temperatur von 980⁰C bestand. Darin wurden die Fasern 1 Minute lang belassen. Der Verbundkörper wurde dann dem Bad entnommen und bis zur Erstarrung abgekühlt.

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Beispiel 3

Überzogene Graphit-Fasern wurden wie nach dem
Beispiel 1 hergestellt und unter Argon einer Matrixschmelze zugeführt, die aus einer Bleilegierung (0,4% 5 Ca, 99,6% Pb) einer Temperatur von ungefähr 550⁰C
bestand. Die Fasern wurden im Bad 10 Minuten lang
gehalten, und dann wurde der Verbundkörper entfernt
und unter die Solidus-Temperatur der Legierung abgekühlt Der sich hieraus ergebende Schichtenkörper 10 konnte heiß gepreßt werden, um Lager zu bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen |

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Claims

25 Ol 024 1 2 überzogen werden. Dann werden die Fasern mit Alurr.i- Patentansprüche: niumfolie in Berührung gebracht, und die kombinierten Folien-Fasern werden unter Druck bis zur Solidus-Tem-

1. Verbundkörper, bestehend aus einer Metallma- peratur der Folie erhitzt

trix aus beispielsweise Aluminium oder Kupfer und 5 Bei Benutzung von Silber oder Tantal ist es sch wierig,

darin eingebetteten Kohlenstoffasern, die zur Ver- gleichförmige dünne Oberzüge über den Fasern zu er-

besserung der Benetzbarkeit mit einer Oberflächen- halten; und in jedem Falle enthält der sich ergebende

schicht aus einer Titan-Verbindung überzogen sind, Verbundkörper beträchtliche Mengen teuren schweren

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflä- Materials, z.B. Silber und Tantal

chenschicht Titanborid aufweist und die Metallma- io Es ist ferner ein gattungsgemäßer Verbundkörper

trix Magnesium und/oder Blei und/oder Zink und/ durch die DE-OS 20 43 924 bekanntgeworden, bei wel-

oder Zinn, Legierungen dieser Metalle und/oder chem die Titanverbindung der Oberflächenschicht aus

Aluminium-Silizium-Legierungen umfaßt Titankohlenstoff besteht Diese Oberflächenschicht soli

2. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkör- physikalisch oder chemisch mit der Oberfläche der Kohpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß 15 lenstoffasern derart fest verbunden werden, daß sie als die Oberflächenschicht auf die Kohlenstoffasern auf- Benetzungs- und Schutzschicht dienen kann, gebracht wird, indem eine gasförmige Verbindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gatvon Bor und eine gasförmige Verbindung von Titan tungsgemäßen Verbundkörper derart zu verbessern, in Gegenwart der Fasern in Verbindung mit Zink- daß eine vollständige Benetzung durch das geschmolze-Dampf reduziert werden, daß das Überziehen der 20 ne Metall eine innige Verbindung zwischen der Matrix Faser so lange fortgesetzt wird, bis auf jeder Faser und den Kohlenstoffasern gewährleistet, ohne daß es ein Überzug mit einer Dicke abgelagert ist die 1 bis notwendig wäre, hohe Drücke oder hohe Temperaturen 100 χ 10~⁸ m beträgt, daß die überzogenen Fasern anzuwenden, und ohne daß der Kohlenstoff in der Me-. bei atmosphärischem Umgebungsdruck in eine Me- tallmatru in Lösung geht

tallschmelze eingetaucht werden, daß die Fasern so 25 Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennlange in diesem Bad belassen werden, bis die Zwi- zeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen schenräume zwischen den Fasern ausgefüllt sind, Merkmale.

und daß der Metallkörper mit den überzogenen und Verfahrensmäßig wird die gestellte Aufgabe durch

umschlossenen Fasern abgekühlt wird bis er erstarrt die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 2 ange-

30 gebenen Merkmale gelöst

Durch die Erfindung wird ein dünner, im wesentlichen

gleichförmiger Überzug aus einem Netzmittel auf die Kohlenstoffasern aufgebracht welches gewährleistet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundkörper daß danach das Matrixmaterial fest verankert werden der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen 35 kann. Das Matrixmetall wird im flüssigen Zustand unter Gattung und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Umgebungstemperatur eingebracht solchen Verbundkörpers. Da es sich nicht als möglich erweist die Boride gcne-

Durch den Einbau der Kohlenstoffasern kann der rell formelmäßig hinsichtlich ihrer Valenz zu erfassen, Metallmatrix bei geringem spezifischem Gewicht eine soll der hier benutzte Ausdruck »Borid« nicht auf irhohe Zugfestigkeit verliehen werden, und der Verbund- 40 gendeine stöchiometrische Beziehung beschränkt sein, körper weist einen hohen Elastizitätsmodul auf. Derarti- wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist ge Verbundkörper besitzen außerdem einen geringen Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der

Reibungskoeffizienten und eine hohe elektrische Leitfä- Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschriehigkeit, was zur Folge hat daß derartige Verbundkör- ben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Schnitt per auf den verschiedensten Gebieten der Technik eine 45 eines Kohlenstoffaser-Metall-Verbundkörpers, der geweitverbreitete Anwendung gefunden haben. maß den Lehren der Erfindung hergestellt ist

Voraussetzung für eine hohe Zugfestigkeit eines sol- In Verbindung mit der Erfindung sind Graphit-Fasern

chen Verbundkörpers ist jedoch eine innige Verbindung als bevorzugt anzusehen. Der Ausdruck »Kohlenstoff -zwischen den Kohlenstoffasern und dem Matrixmetall. Faser« soll jedoch sowohl graphitische als auch nicht-Dabei muß gleichzeitig verhindert werden, daß sich der 50 graphitische Kohlenstoffasern umfassen. Die Kohlen-Kohlenstoff in dem Matrixmetall löst und dieses spröde stoffasern können aus ganz verschiedenen Ausgangsmacht, stoffen hergestellt werden, z. B. aus Pech, Rayon, PoIy-Um den Zusammenhalt zwischen Kohlenstoffasern acrylon-Nitril oder dergl. in Gestalt von Garnen, Tauen, und Matrixmetall zu verbessern, muß die Benetzung der Bändern, die gewoben, gewirkt gefaltet oder dgl. ausge-Kohlenstoffasern verbessert werden. Gemäß der US- 55 bildet sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform PS 35 53 820 wird ein Verbundkörper aus Aluminium bestehen die Fasern aus Graphit, das aus Rayon in ein- und Graphitfasern dadurch hergestellt daß zunächst die achsiger Garnform mit einem Faserdurchmesser von Fasern mit einem Tantalfilm durch Elektroablagerung 7 μτη gewonnen wurde, enthaltend etwa 11 000 Fasern aus einem geschmolzenen Salzbad versehen werden, im Garn. Derartige Kohlenstoffasern und Textilien sind daß dann die Fasern durch Erzeugen eines sehr niedri- ω allgemein bekannt und kommerziell verfügbar, und das gen Unterdrucks entgast werden, und daß die entgasten Verfahren zur Erzeugung derselben ist ebenfalls allge-Fasern dann in ein unter Druck gesetztes Aluminium- mein bekannt.

schmelzbad eingetaucht werden, um die freien Räume Der Verbundkörper besteht, wie in der Zeichnung

der Fasern auszufüllen. dargestellt, aus einer Vielzahl von Graphitfasern 20, die

Ein ähnliches Verfahren beschreibt die 65 sämtlich mit einer im wesentlichen kontinuierlichen US-PS 35 71 901, wobei die Kohlenstoffasern zunächst Oberflächenschicht 21 aus einem Benetzungsmittel ummit Silber oder einer Silber-Aluminium-Legierung hüllt sind, welches Titan-Borid aufweist, durch Elektroablagerung aus einer Plattierungslösung Im typischen Fall beträgt der Faserdurchmesser un-