DE2527061A1

DE2527061A1 - Verfahren zur steigerung der festigkeit von borfilamenten zur verwendung bei der herstellung von filamente aufweisenden bauteilen

Info

Publication number: DE2527061A1
Application number: DE19752527061
Authority: DE
Inventors: Gary Glen Brown; George Jacob Mills; Dwight Ray Waterman
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1977-01-20

Description

Verfahren zur Steigerung der Festigkeit von Borfilamenten zur Verwendung bei der Herstellung von Filamente aufweisenden Bauteilen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der Zugfestigkeit von Borfilamenten oder Borfäden unter gleichzeitiger Verringerung der Festigkeitsverteilung auf diesen Filamenten. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von Filamenten, die zur Herstellung von Komposit-Bauteilen, also aus mehreren Materialien zusammengesetzten Bauteilen, verwendet werden sollen.
Komposit-Bauteile, die durch hochfesten Fadenmaterial verstärkt sind, können durch Einbau von Borfilamenten oder Fäden in eine Matrix aus Kunststoff oder Metall hergestellt werden. Es wurde gefunden, daß eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften solcher zusammengesetzter Bauteile durch Steigerung der Zugfestigkeit und Verringerung der Verteilung der Festigkeit der Borfilamente durch eine einfache, jedoch überaus wirksame Methode erzielt werden kann. Die Erfindung ist auf dieses Verfahren gerichtet, das im wesentlichen einen Spannungsabbau oder -ausgleich in den Borfilamenten dadurch vorsieht, daß diese einer bestimmten Temperatur während einer bestimmten Zeitdauer (in Abhängigkeit von der Temperatur) ausgesetzt werden, wobei sie im wesentlichen linear angeordnet sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Oberfläche der Fäden gleichzeitig einem Gas, zum Beispiel Stickstoff, oder einer stickstoffaufweisenden Gasmischung ausgesetzt, um Oberflächendiskontinuitäten, wie Defekte oder Risse, die an der Oberfläche auftreten können, zu heilen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit von Borfäden anzugeben, die zum Einsatz in Komposit-Bauteilen gedacht sind. Weiterhin soll der Weg gewiesen werden, die Festigkeit von Borfilameneen zu steigern, um eine wesentliche Verbesserung der strukturellen Kenngrößen von mit solchen Fäden hertestellten Kosposit-Bauteilen zu erzielen.
Weitere Einz.lheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie anhand der schematischen Zeichnung. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2 sowie Fig. 2A ein zweites Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Borfäden einer bestimmten Temperatur während einer bestimmten Zeitdauer ausgesetzt, wobei sie während dieser Zeitdauer im wesentlichen linear angeordnet werden. Während dieser Zeit läßt man ein vorzugsweise Stickstoff als Hauptbestandteil enthaltendes Gas über die Oberfläche der Fäden strömen, so daß jegliche Diskontinuitäten an oder im Bereich der Oberfläche geheilt werden.
Gemäß Fig. 1 hängt ein Borfilament oder -faden 11 jeglicher praktishher Länge von einem Träger 12 in einen Heizbehälter 14. Der Faden ist mithilfe eines an seinem einen Ende angeordneten Gewichtes 15 linear oder gerade angeordnet. Mittels eines bandförmigen Heizkörpers 19 wird Wärme auf den Faden gegeben. Der Faden kann ein handelsübliches Produkt sein, wie es zum Beispiel von der Systems Division der AVCO Corporation, Lowell, Massachusetts, oder von der Hamilton Standard Division der United Aircraft Corporation vertrieben wird. Solche Filamente oder Fäden werden durch Dampfniederschlag von Bor auf einem Wolfram substrat erzeugt. Diese Herstellung ist beispielsweise beschrieben von Hoffman und Dittmer, "Boron Composites: Status in the U.S.A.", Juni 1973, INTERAVIA.
Gemäß Fig. 2 und 2A ist eine zweite Ausführungaart der Erfindung schematisch dargestellt. Der Faden 11 ist im Heizbehälter 14 linear zwischen Spulen 17 und 18 angeordnet. Der bandförmige Heizkörper 19 heizt wiederum den Faden auf. Der Heizbehälter oder die Kammer 14 ist luftdicht ausgebildet und weist einen Ausgang 20 auf, der zur Reinigung oder Evakuierung der Kammer herangezogen werden kann, und ebenso einen Einlaß 22, über den ein Gas, zum Beispiel Stickstoff, der Kammer zugeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im folgenden anhand vpn Beispielen näher erläutert: Beispiel I Ein Borfilament 11 wurde gemäß Fig. 1 einen Monat lang bei Raumtemperatur aufgehängt. Die durchschnittliche Zugfestigkeit von etwa 76 mm langen (3 Zoll) Proben stieg nach dieser Aufhängung von 324 kg/mm2 mit einem Variationskoeffizienten von 15,6 % auf 391 kg/mm2 bei 14,7 ,.
Beispiel II Ein Borfilament 11 wurde gemäß Fig. 2 und 2A in der Kammer 14 angeordnet. Die Luft wurde über den Auslaß 20 aus der Kammer abgezogen, und diese wurde mit handelsüblich reinem Stickstoff über den Einlaß 22 gefüllt. Die Temperatur des Fadens wurde über den Heizkörper 19 auf 1210 angehoben. Der Faden wurde 20 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten, wobei er der Stickstoffatmosphäre ausgesetzt war. Die durchschnittliche Zugfestigkeit von 76 mm langen, von dem Faden entnommenen Proben stieg von 324 kg/mm2 mit einem Variationskoeffizienten von 15,04vor der Behandlung auf 392 kg/mm2 bei einem Variationskoeefizienten von 9,6 % an.
Beispiel III Der Faden oder das Filament 11 wurde gemäß Fig. 2 und 2A in der Kammer 14 angeordnet, die zur Erzeugung eines Vakuums evakuiert wurde. Das Filament wurde auf 93 0C aufgeheizt und 4 Stunden lang bei dieser Temperatur im Vakuum gehalten. Die durchschnittliche Zugfestigkeit von 76 mm langen Probefäden stieg auf 351 kg/mm2 bei einem Variationskoeffizient von 7,3 96 an, ausgehend von einer Zugfestigkeit vor der Behandlung von 324 kg/mm2 bei einem Variationskoeffizienten von 15,6 %.
Beispiel IV Das Filament wurde gemäß Figur 2 und 2A in der Kammer 14 angeordnet, die mit reinem Stickstoff gefüllt wurde. Das Filament wurde auf 1490C mittels des Heizkörpers aufgeheizt und 5 Minuten lang bei dieser Temperatur in Stickstoffumgebung gehalten. Es zeigte sich, daß die durchschnittliche Festigkeit von 76 mm langen Fäden von 324 kg/mm2 bei einem Variationskoeffizienten von 15,6 % vor der Behandlung auf 415 kg/mm2 bei einem Variationskoeffizienten von 8,9 96 anstieg.
Beispiel V Das Filament wurde gemäß Fig. 2 in der Kammer 14 angeordnet und mittels des Heizkörpers auf 930 C aufgeheizt. Die Kammer wurde mit Luft gefüllt; das Filament wurde bei 930 C 1,5 Stunden lang in dieser Luftumgebung gehalten. Anschließend wurde die Kammer evakuiert, und das Filament in einer Vakuumumgebung bei 93°0 C für weitere 1,5 Stunden gehalten. Es zeigte sich, daO die Zugfestigkeit des Filamentes von einer Anfangszugfestigkeit von 324 kg/mm2 mit einem Variationskoeffizienten von 15,6 % auf 383 kg/=m2 bei e einem Variationskoeffizienten von 9,0 % anstieg.
Die Versuche zur Bestimmung der Zugfestigkeit bei den vorbeschriebenen Beispielen wurde durch Anlegen der Zugkraft längs der Längsachse der Filamente durchgeführt.
Es wird angenommen, daß die Einwirkung einer bestimmten Temperatur während einer bestimmten Zeitdauer auf die Filamente, wobei sie geradlinig angeordnet sind, spannungslösend oder -abbauend wirkt, und daß auf diese Weise die Festigkeit verbessert wird, wobei das BespUen der Oberfläche der Filamente mit Gas, zum Beispiel Stickstoff, dazu führt, dass Risse und andere Diskontinuitäten an der Oberfläh» der Filamente geheilt werden, was die Zugfestigkeit zusätzlich erhöht. Wie bereits erwähnt, können die so verfestigten Filamente zur Herstellung von Komposit-Bauteilen herangezogen werden, die sodann verbesserte Kenngrößen haben. Hierbei werden die Filamente in bekannter Weise in einem Kunststoff- oder Metallbindematerial angeordnet.

Claims

Patentansprche

1£ Verfahren zur Steigerung der Zugfestigkeit von Borfilamenten, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Filamentes (11) unter Zug in im wesentlichen linearer Konfiguration angeordnet wird und daß das Filament (11) bei einer Temperatur von 930 C bis 1770 C während eines Zeitraumes gehalten wird, der ausreichend ist, die Zugfestigkeit des Filamentes (11) zu steigern, wobei das Filament (11) während dieses Zeitraums in einer mit im wesentlichen reinen Stickstoff gefüllten Kammer (14) angeordnet wird, um Defekte an seiner Oberfläche ohne diese zu nitrieren zu heilen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filament (11) auf eine Temperatur von 1490 C bis 1770 C gebracht und etwa 5 min bei dieser Temperatur gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filament (11) dieser Temperatur 20 min lang in Stickstoffatmosphäre ausgesetzt wird.