DE2728555C2

DE2728555C2 - Vormaterial für kohlefaserverstärkte Metalle und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2728555C2
Application number: DE2728555A
Authority: DE
Inventors: Yoshito Fukube; Kazuo Tokio/Tokyo Nakamura; Takashi Chiba Osaki
Original assignee: Nihon Shinku Gijutsu KK; Toho Beslon Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd; Ulvac Inc
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1977-06-24
Publication date: 1986-07-24
Also published as: US4132828A; CA1068994A; GB1579865A; JPS5366831A; JPS589822B2; DE2728555A1

Description

—p-angeordnet und der Metallbeschichtung unterworfen werden, worin D den Durchmesser einer jeden Kohlefaser, π die Anzahl der Kohlefasern und P die maximal 10 betragende durchschnittliche Anzahl von Kohlefasern in Dickenrichtung des Bandes bezeichnet

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Verwendung von ungerichteten Kohlefasern solche mit einer Länge von 1 bis 15 cm verwendet werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dei Kohlefasern in einer Inertgasatmosphäre bei einem Druck von 0,66 xiO-² bis 6,65x10-2mbar einer Plasma-Ätzung und der I&^en- Plattierung unterworfen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern auf einer Kathode angeordnet oder als Kathode verwendet werden und daß die Ionen-Plattierung durchgeführt wird unter Anlegen einer Spannung von —0,1 bis —3,0 kV zwischen der Kathode und einer Metallionenquelle.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberflächen der Kohlefasern vor dem Beschichten mit dem Beschichtungsmetall eine Zwischenschicht aus Titan oder Silizium oder einem Karbifi oder Nitrid davon aufgebracht wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19 zum Erzeugen einer Zwischenschicht aus einem Karbid des Titans oder Siliziums, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern auf 600 bis 1500⁰C vorgewärmt und Titan oder Silizium durch lonen-Plattierung aufgebracht werden.

Die Erfindung betrifft ein Vormaterial für kohlefaserverstärkte Metalle, bestehend aus einer Vielzahl von metallbeschichteten Kohlefasern.

Ein derartiges Vormaterial ist bereits aus der US-PS 53 093 bekannt. Dieses bekannte Vormaterial zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Metallen besteht aus mit Silber oder einer Silber-Aluminium-Legierung beschichteten Kohlenstoffasern. Die Kohlenstoffasern sind in einem elektrisch leitenden Elektrolysebad beschichtet worden und liegen folglich als beschichtete Einzelfasern vor.

Der Umgang mit derart nicht untereinander verbundenen Einzelfasern ist relativ kompliziert, weil die Fasern sich leicht relativ zueinander verschieben, wenn sie in einen gekrümmten bzw. gebogenen Formhohiraum eingebracht werden. Mithin sind die bekannten metallbeschichteten Kohlenstoffasern kaum geeignet zur Herstellung von kohlefaserverstärkten Metallen in

komplizierter Form.

Gemäß US-FS 35 53 093 wird ein kohlefaserverstärktes Metall in der Weise hergestellt, daß die elektrolytisch beschichteten Kohlenstoffasern alternierend zwischen Folien aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gelegt werden und die erhaltene Schichtenanordnung nachfolgend in einer Form unter Anwendung von Wärme und Druck unter ^vakuumbedingungen verdichtet wird. Nacb Abkühlen von der Verdichtungstemperatur liegen die metallbeschichteteten Kohlenstoffasern in einer im wesentlichen aluminiumhaltigen Matrix vor, welche die beschichteten Fasern zusammenhält

Aus der US-PS 38 88 661 ist ein faserverstärktes Metall bekannt, bei welchem das Metall eine zusammenhängende Matrix bildet, in welcher die Kohlenstoffasern eingelagert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vormaterial für kohlefaserverstärkte Metalle, bestehend aus einer Vielzahl von metallbeschichteten Kohlenstofffasern, zu schaffen, welches sich leichter verarbeiten läßt und sich durch eine besonders fesie Bindung zwischen den einzelnen Kohlenstoffasern und der Melailbeschichtung auszeichnet

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß die beschichteten Kohlenstoffasern mit ihren Metallschichten punktweise aneinanderhängen, da sich dadurch eine weitgehende Verformbarkeit eines aus einer Vielzahl derart miteinander verbundener Fasern ergibt, aber gleichzeitig sichergestellt ist, daß der Materialzusammenhang der einzelnen Fasern untereinander nicht gänzlich verlorengeht. Beim Vormaterial nach der Erfindung sind die beschichteten Fasern stellenweise miteinander verbunden, was bedeutet daß die Beschichtungen benachbarter Kohlenstoffäden lediglich an vergleichsweise weit voneinander entfernten Punkten miteinander verknüpft sind. Diese Verknüpfung an vergleichsweise //eit voneinander liegenden Orten ist die Ursache für die hervorragenden Gebrauchseigenschaften des Vormaterials nach der Erfindung, da die erhaltenen netzartig miteinander verflochtenen Gebilde verbogen und verdrillt werden können, ohne daß die flexiblen vernetzten Bänder auseinanderfallen.

Zur Erfindung gehört auch das Auffinden eines geeigneten Verfahrens zum Herstellen des im Anspruch 1 angegebenen Vormaterials. Dieses Herstellungsverfahren nach der Erfindung ist im Patentanspruch 14 angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigt

Fi g. la und Ib Querschnitte durch metallbeschichtete Kohlefasern;

F i g. 2a und 2b Ansichten der Vernetzungsbereiche von metallbeschichteten Kohlefasern;

F i g. 2c einen Querschnitt durch die in F i g. 2a dargestellten Vernetzungsbereiche;

F i g. 3 eine Vorrichtung zum Durchführen der Ionen-Plattierung;

F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung aus Kohlefasern zum Zeitpunkt der Beschichtung derselben mit einem Metall;

Fig.5 einen partiellen Schnitt durch ein kohlefaserverstärktes Metall, welches unter Verwendung des Vormaterials nach der Erfindung hergestellt worden ist.

Im Vormaterial sind dft; Kohlefasern 11 jeweils mit einer Metallschicht 12 überzogen, wie in F i g. la dargestellt, unter Bildung eines vernetzbaren Bandes, wie in F i g. 2a oder 2b dargestellt Insbesondere sind die Berührungspunkte der metallbeschichteten Einzelfasern durch das Metall miteinander verbunden, und auf diese Weise entsteht ein flächiges oder räumliches Gebilde. Die Vernetzungspunkte sind in einem solchen Ausmaß vorhanden, daß die relativen Positionen der Kohlefasern sich bei Veränderungen der Ausrichtung der einzelnen Fasern nicht wesentlich ändern.

ίο Die Kohlefasern, welche die erfindungsgemäße metallbeschichtete Kohlefaseranordnung aufbauen, können nach irgendeinem beliebigen Verfahren aus irgendeinem beliebigen Material hergestellt werden. Sie können beispielsweise nach Verfahren hergestellt werden, wie sie in der US-Patentschrift 36 77 705 beschrieben sind, bei denen eine Polyacrylnitrilfaser an der Luft stabilisiert und dann in einem Inertgas verkohlt wird. Erfindungsgemäß können Kohlefasern, die durch eine Verkohlungsbehandlung bei etwa 800 bis etwa 1500⁰C hergestellt worden sind, und Graphitfasern, die durch Kalzinieren dieser Kohlefasern bei etw*. 2000 bis etwa 3000⁰C hergestellt worden sind, verwendt'c werden. Im Falle von Aluminium nimmt die Festigkeit der erstgenannten nicht ab, wenn sie auf eine Temperatur unterhalb etwa 550⁰C erhitzt werden. Letztere sind gegenüber Metall beständig und ihre Festigkeit nimmt nicht ab, selbst wenn sie auf etwa 700° C erhitzt werden.

Die Länge der Fasern ist nicht kritisch. Bei den Fasern kann es sich um lang Fasern handeln, z. B. um solche, die endlos sind; im allgemeinen haben sie jedoch eine Länge von 15 cm oder mehr, welche die kontinuierliche Herstellung eines Vormaterials erlaubt, oder es kann sich um kurze Fasern handeln (deren Länge im allgemeinen etwa 1 bis 15 cm beträgt), die zur Herstellung beispielsweise eines Gewebes verwendet werden können. Der Durchmesser der Fasern ist ebenfalls nicht kritisch, es sind jedoch im allgemeinen Fasern mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 um erhältlich.
Das zu verwendende Metall wird ausgewählt in Abhängigkeit von der Endverwendung des metallbeschichteter. Vormaterials. So kann beispielsweise Aluminium oder Magnesium verwendet werden, wenn das Vormaterial unter Anwendung von Wärme und Druck verformt und als Material für Flugkörper oder als Material für den Schiffsbau verwendet wird. Titan oder Nickel werden verwendet, wenn das Vormaterial als Material für Turbinenschaufeln oder als hochfestes Hochtemperaturmaterial verwendet werden soll. Kupfer, Silber, Gold, Zink, Blei, Zinn, Eisen und Kobalt sind Beispiele

so für andere brauchbare Metalle.

Wenn es sich bei dem Metall um ein solches handelt, das mit den Kohlefasern, die im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen, reagiert oder die Kohlefasern während ihrer Beschichtung, während der Herstellung des kohlefaserverstärkter. Metalls oder während der Verwendung des kohlefaserverstärkten Metalls auflöst, wie z. B. Aluminium, Titan, Nickel, Eisen und Kobalt, wird zwischen der Kohlefaser 11 und der Metallschicht 12 eine Zwischenschicht 13 vorgesehen, wie in F i g. 1 b dargestellt. Bei der Zwischenschicht handelt es sich um eine Schicht aus Titan oder Silizium oder einem Karbid oder Nitrid von Titan oder Silizium. Wenn d(;s ßeschichtungsmetall ein solches ist, das nicht leicht mit den Kohlefasern reagiert, wie z. B. Magnesium, Zink, Blei, Zinn, Kupfer, Silber und Go!d, kann die Zwischenschicht zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Kohlefaser verwendet werden. Wenn es erwünscht ist, den Einschluß von Verunreinigungen, wie z. B. Titan oder Silizium, auf

Kosten der Festigkeit zu vermeiden, ist es natürlich auch möglich, mit einem Metall beschichtete Kohlefasern herzustellen, die keine Zwischenschicht aufweisen. Das Material zur Herstellung der Zwischenschicht muß ein Material sein, das nicht in die Metallschicht hineindiffundiert

Wenn es sich bei dem Metall um ein Metall handelt, das leicht mit den Kohlefasern reagiert, sind bevorzugte Kombinationen aus dem Beschichtungsmetall und dem Metall zur Bildung der Zwischenschicht die folgenden:

Beschichtungsmetall

Zwischenschicht

Ni₁Fe₁Co

Ti, TiC, TiN, SiC, Si₃N₄ TiC₁TiN₁SiC₁Si₃N₄

SiC₁Si₃N₄

15

Titan reagiert mit Kohlefasern, es kann jedoch ver-

wpnHpt u/prrlpn wpil pe pinp σρι*ΐησρΓΡ Rpalrttnncfätiio-.. .. — , ..— — _β _o—_ , _a

keit mit Kohlefasern hat als Aluminium. Wenn die Metallschicht aus Titan besteht, ist die Verwendung von Si, TiC und TiN als Zwischenschicht ungeeignet, da diese Metalle in die Kohlefasern hineindiffundieren. Ebenso ist dann, wenn die Metallschicht aus Nickel, Eisen oder Kobalt besteht, die Verwendung von Titan oder Silizium ais Zwischenschicht ungeeignet.

In der Regel ist die Zwischenschicht sehr dünn. Geeignete Dicken für die Zwischenschicht liegen bei etwa O₁Ol bis etwa 0,5 μηι. Die Dicke kann auch mehr als 0,5 μιτι betragen, wenn jedoch die Zwischenschicht übermäßig dick wird, nimmt der Volumenanteil der Zwischenschicht zu und weist das unter Verwendung des Vormaterials hergestellt kohlefaserverstärkte Metall eine geringere Belastbarkeit auf. Der Volumenanteil der Kohlefasern in dem Vormaterial wird festgelegt in Abhängigkeit von der Verwendung der mit einem Metall überzogenen Kohlefasern.

In dem Vormaterial stehen die Kohlefasern 25, die mit einem Metall überzogen sind, punktweise miteinander in Kontakt, wie in den F i g. 2a und 2b dargestellt, und sie weisen an den Berührungspunkten Verbindungsbereiche 24 oder 24' aus dem Beschichtungsmetall auf. Daher ändert sich die Ausrichtung der einzelnen Fasern nicht, und die einzelnen Fasern können in bestimmten Richtungen ausgerichtet werden. Das Vormaterial kann in einer beliebigen fixierten Gestalt, beispielsweise in Form einer Folie, eines Bandes oder eines Garns, hergestellt werden. F i g. 2a zeigt die flächenartige Ausbildung, und F i g. 2b zeigt eine Anordnung aus willkürlich ausgerichteten, mit einem Metall überzogenen Kohlefasern, beispielsweise in Form eines Wirrfaservlieses. F i g. 2c zeigt einen Querschnitt der miteinander verbundenen Bereiche der Metallbeschichtungen. In der F i g. 2c haben die Bezugsziffern 11,12 und 13 die gleiche Bedeutung wie in der F i g. 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann nach irgendeinem Verfahren hergestellt werden, das darin besteht, daß man Kohlefasern mit einem Metall überzieht und die mit dem Metall überzogenen Fasern durch das Metall teilweise miteinander verbindet unter Bildung einer Anordnung mit einer zweidimensionalen Netzwerkstruktur oder auch einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur. Erfindungsgemäß wurde jedoch ein ausgezeichnetes Verfahren entwickelt, das darin besteht daß man die Kohlefasern durch lonen-PIattierung oder Vakuumbedampfung mit einer Metallschicht überzieht zur Herstellung einer Anordnung aus den mit einem Metall überzogenen Kohlefasern.

Das Vormaterial kann durch die lonen-PIattierung hergestellt werden.

Die Metallbeschichtung nach dem lonen-Plattierungsverfahren wird beispielsweise durchgeführt unter Verwendung einer Vorrichtung des in F i g. 3 gezeigten Typs. In der Fig.3 stellt die Bezugsziffer 31 eine luftdichte Kammer dar, die Bezugsziffer 32 stellt einen Schmelztiegel mit einem darin befindlichen Metall 33 dar, die Bezugsziffer 34 stellt Kohlefasern oder Kohlefasern mit einer Zwischenschicht dar, die auf einer Kathode angeordnet sind oder selbst als Kathode fungieren, und die Bezugsziffer 35 stellt eine öffnung zur Einführung eines Inertgases dar. Das Innere der Kammer 31 wird evakuiert, und an die Kathode wird eine Spannung von etwa —0,1 bis etwa —0,3, vorzugsweise von —0,5 bis —1,5 kV angelegt. In das System wird eine Atmosphäre aus einem Inertgas, wie z. B. Argon, Helium, Neon, Krypton oder Xenon, eingeleitet, wobei Argon bevorzugt ist, und ein Druck von 0,66 · !Q-² bis 6,65 · 10-*mbar eingestellt. Ein Metall wird darin durch Widerstandserhitzen, durch Erhitzen, durch Bestrahlen mit Elektronenstrahien oder durch Hochfrequenz-lnduktionserhitzen und dgl. verdampft. Der dabei erhaltene Metalldampf wird in einem Plasmabereich darin ionisiert und als Metallschicht auf den Oberflächen der Fasern, die auf der Kathode angeordnet sind oder als Kathode verwendet werden, kondensiert. Je höher die Temperatur der Kohlefasern ist, um so dichter ist die gebildete Metallschicht. Wenn jedoch eine Schicht aus einem Metall, das mit dem Kohlefasern reagiert oder diese auflöst, wie Aluminium, Titan oder Nickel, auf die Oberfläche der Kohlefasern aufgebracht werden soll, führt das Erhitzen der Kohlefasern zur Bildung eines Karbids oder zur Auflösung der Kohlefasern in dem Metall. Es ist deshalb zweckmäßig, daß die Kohlefasern auf der Kathode oder als Kathode auf eine Temperatur vorerwärmt werden, die nicht diese Schwierigkeiten hervorruft, nämlich bis auf eine Temperatur von etwa 500⁰C oder weniger, insbesondere bis auf eine Temperatur innerhalb des Bereiches von 50 bis 300° C. Andererseits werden dann, wenn ein Metall verwendet wird, bei dem diese Schwierigkeiten nicht auftreten, wie z. B. Kupfer, Zink oder Magnesium, gute Ergebnisse erzielt, wenn die Kohlefasern auf eine möglichst hohe Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls vorerwärmt werden, wobei der Temperaturanstieg der Fasern zum Zeitpunkt der Metallbeschichtung berücksichtigt werden muß.

Vor der Bildung der Metallschicht auf den Oberflächen der Kohlefasern werden die Faseroberflächen vorzugsweise geätzt Das Ätzen kann unter Anwenanng bekannter Verfahren, beispielsweise eines elektrolytischen Oxydationsverfahrens (wie z. B. in der US-Patentschrift 37 59 805 beschrieben), eines Verfahrens, welches die Behandlung in einer wäßrigen Natriumhydroxidlösung umfaßt, und eines Verfahrens, welches das Brennen der Oberflächen der Fasern in Sauerstoff umfaßt (wie z.B. in der US-Patentschrift 37 54 957 beschrieben) durchgeführt werden. Die als eine Stufe vor der Ionen-Plattierung durchgeführte Plasmaätzung ist besonders bevorzugt Dieses Verfahren besteht darin, daß man eine Entladungsspannung von etwa —0,5 bis etwa —2,0 kV in einer Inertgasatmosphäre, z. B. in Argon, mit einem Druck von etwa 0,66 - 10--² bis etwa 6,65 - 10-² mbar zur Erzeugung einer Glimmentladung anlegt und die Faseroberflächen unter Verwendung des dabei erhaltenen Plasmas ätzt Wenn dieses Verfahren angewendet wird, besteht keine spezielle Notwendig-

keil, die Fasern vorzuerwärmen. Durch das Ätzen unter Anwendung dieses Verfahrens wird das anhaftende Material von den Faseroberflächen entfernt, z. B. der Schmutz aus der Atmosphäre oder ein Ölfilm, und die Metallschicht kann direkt auf den Oberflächen der Koh- s lefasern gebildet werden.

Spezifische Verfahren zur Herstellung einer Zwischenrpiicht durch Ionen-Plattierung unterscheiden sich voneinander in Abhängigkeit von dem Typ der Zwischenschicht. Wenn es erwünscht ist, eine Zwischenschicht aus Silizium oder Titan herzustellen, wird das Verfahren auf die gleiche Weise durchgeführt wie bei der Herstellung der vorstehend beschriebenen Metallschicht. Wenn die Kohlefasern auf 600 bis etwa 1500, vorzugsweise 800 bis 1000⁰C vorerwärmt werden, wird eine Zwischenschicht aus einem Karbid des Metalls gebildet. Wenn die Fasern auf eine Temperatur bis zu etwa 500⁰C vorerwärmt und in einer Stickstoffatmosphäre behandelt werden, '.vird eine Zwischenschicht aus einem Nitrid des Metalls gebildet. Im Falle der Bildung von Nitriden ist es nicht erforderlich, die Kohlefasern auf hohe Temperaturen vorzuerwärmen, und sie können bei Raumtemperatur gehalten werden. Wenn es erwünscht ist, gleichzeitig Nitride und Karbide zu erzeugen, kann die Temperatur weiter erhöht werden, beispielsweise auf etwa 150O⁰C

Bei der Ionen-Plattierung werden lange Fasern, die im allgemeinen in Form eines Bündels von in einer vorgegebenen Richtung ausgerichteten Fasern vorliegen, behandelt, während kurze Fasern in Form eines WirrfaservlikiSes behandelt werden. Die Länge und Breite eines solchen Bündels oder Vlieses sind nicht kritisch. Die durchschnittliche Anzahl der Fasern in der Richtung von der Verdampfungsquelle zu Fasern, d. h. in der Dikkenrichtung des Faserbündels oder Wirrfaservlieses, muß jedoch berücksichtigt werden. Die F i g. 4 zeigt einen Teil der mit einem Metall überzogenen Fasern 25. In dieser Darstellung bezieht sich die vorstehend angegebene durchschnittliche Anzahl der Fasern auf die durchschnittliche Anzahl der Fasern in der Dickenrichtung. Diese durchschnittliche Anzahl beträgt 1 bis 10, vorzugsweise 3 bis 5. Wenn die Anzahl 10 übersteigt, werden die Kohlefasern im Zentrum des Faserbündels nicht vollständig mit dem Metall überzogen. Wenn die durchschnittliche Zahl 1 beträgt, ist die Struktur zweidimensional. Wenn die durchschnittliche Anzahl 2 oder mehr beträgt, ist die Struktur dreidimensional.

Wenn die mit einem Metall überzogenen Fasern keine ausreichend fixierte Gestalt haben, weil eine unzureichende Anzahl von Verbindungspunkten zwischen den Fasern vorliegt, können die Kontaktpunkte der Fasern schon durch geringen Druck und geringe Temperatur miteinander verbunden werden, um ihre Gestalt zu fixieren. Der Druck und die Temperatur, die für diesen Zweck angewendet werden, können durch einfache Versuche innerhalb von Bereichen bestimmt werden, die keine Härtung der dabei erhaltenen Anordnung hervorrufen.

Die durch das Metall miteinander verbundenen Punkte sind in einem solchen Ausmaß vorhanden, daß das Vormaterial eine befriedigende Flexibilität hat. Wenn die Ionen-Plattierung auf Fasern angewendet wird, die in einer Richtung ausgerichtet sind, liegt die Breite W der Faseranordnung vorzugsweise innerhalb des Bereiches von etwa nD/P bis etwa 3nD/P. sie beträgt insbesondere im wesentlichen nD/P, worin D den Durchmesser jeder Faser, η die Anzahl der Fasern und P die durchschnittliche Anzahl der Fasern in der Dickenrichtung der Faseranordnung bedeuten. Die Geschwindigkeit der Metallbeschichtung beträgt 0,5 bis etwa 10, vorzugsweise 1 bis 5 μΐη/min, sowohl bei der Herstellung einer Zwischenschicht als auch bei der Herstellung einer Metallbeschichtung. Bei Verwendung einer Wirrfaseranordnung liegt die Abscheidungsgeschwindigkeit zweckmäßig innerhalb des oben angegebenen Bereiches. Die Faserdichte ist beliebig.

Durch die Herstellung des erfindungsgemäßen Vormaterials unter Anwendung der Ionen-Plattierung wird das Vorhandensein des Metalls in einem übermäßigen Volumenanteil in dem erhaltenen Vormaterial oder in dem daraus hergestellten kohlefaserverstärkten Metall verhindert, und darüber hinaus kann die Bindung zwischen den Kohlefasern und dem Metall sehr innig gemacht werden.

Da das erfindungsgemäße Vormaterial Materialzusammenhang und Flexibilität hat, ist es sehr gut handhabbar bei der Herstellung eines kohlefaserverstärkten Metalls. Das kohlefaserverstärkte Metall kann hergestellt werden durch Aufeinanderstapeln der erforderlichen Anzahl von Vormateriallagen in einer gewünschten Form und Erhitzen derselben unter Druck zum Schmelzen und Koaleszieren des Metalls. Die Fig.5 zeigt einen partiellen Schnitt des kohlefaserverstärkten Metalls. Die Bezugsziffer U bezeichnet die Kohlefasern, die Bezugsziffer 13 bezeichnet eine Zwischenschicht, und die Bezugsziffer 12 bezeichnet eine Metallbeschichtung.

Gewünschtenfalls kann eine Metallfolie oder ein Metallpulver zwischen diese Vormateriallagen eingebracht werden. Es ist auch möglich, solche Lagen, insbesondere in der flächigen Ausbildung, mit Metallfolien zusammenzuhalten und sie dann zu einer Sandwich-Struktur zu verformen.

Das Verarbeiten des Vormaterials zu einem kohlefaserverstärkten Metall kann unter Anwendung bekannter Verfahren erfolgen. Die Bedingungen für die Herstellung eines kohlefaserverstärkten Metalls differieren in Abhängigkeit von dem Metall, die Herstellung wird jedoch in einem Vakuum von etwa 10~²mbar oder in einem höheren Vakuum durchgeführt. Wenn das Vormaterial eine Zwischenschicht aufweist, tritt keine Reaktion zwischen den Kohlefasern und dem Metall auf. Dadurch kann die Temperatur der Anordnung erhöht werden, und der Druck kann herabgesetzt werden. Wenn die Anordnung keine Zwischenschicht enthält, erfolgt die Herstellung eines kohlefaserverstärkten Metalls unter Bedingungen, die keine Reaktion einleiten. Insbesondere dann, wenn das Beschichtungsmetall nicht mit den Kohlefasern reagiert oder das Vormaterial eine Zwischenschicht aufweist, ist bei der Herstellung des kohlefaserverstärkten Metalls ein Druck von etwa 100 bis etwa 1000 bar bei einer Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des Beschichtungsmetalls und einer Temperatur, die etwa 100⁰C unterhalb des Schmelzpunktes liegt, bevorzugt Wenn keine Zwischenschicht vorhanden ist und das Beschichtungsmetall mit den Kohlefasern reagiert oder diese löst, ist zur Herstellung des kohlefaserverstärkten Metalls ein Druck von etwa 100 bis 1000 bar bei einer Temperatur, die etwa 100⁰C unterhalb des Schmelzpunktes des Beschichtungsmetalls liegt, bis zu einer Temperatur, weiche die Hälfte des Schmelzpunktes, ausgedrückt in absoluten Temperaturen, beträgt bevorzugt Die Formgebungszeit differiert in beiden Fällen in Abhängigkeit von dem Typ des Metalls, der Temperatur und des Druckes, und im allgemeinen handelt es sich dabei um eine Zeit, die ausreicht um

dem dabei erhaltenen geformten Produkt gleichbleibende mechanische Eigenschaften zu verleihen.

Das erfindungsgemäße Vormaterial aus mit einem Metall überzogenen Kohlefasern ist leicht zu handhaben und kann zu einem kohlefaserverstärkten Metall verformt werden, in dem das Vormaterial in jeder gewünschten Richtung orientiert und in jedem gewünschten Volumenverhältnis enthalten ist.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert. Alle Behandlungen wurden, wenn nichts to anderes angegeben ist, bei Raumtemperatur (etwa 20⁰C) durchgeführt, und alle Teile, Prozentsätze, Verhältnisse und dgl. beziehen sich, wenn nichts anderes angegeben ist, auf das Gewicht.

die Kupferschicht war 8,0 μιη dick. Das Vormaterial enthielt die KohleJasern in einem Anteil von 13Vol.-%. Dann wurden diese Vormaterialien aufeinandergestapelt und unter einem Druck von 50 bar 1 Stunde lang unter einem Vakuum von 2,66 χ 10-⁴ mbar auf 1000⁰C erhitzt. Dabei erhielt man ein kohlefaserverstärktes Metall, das 15 Vol.-% Kohlefasern enthielt.

Beispiel 3

25

30

Beispiel 1

3n einem Vakuumsystem wurden nicht-verdrallte Stränge, die jeweils aus 600 Kohlefäden mit einem Durchmesser von 9,2 μπι, einer Zähigkeit von 200Ö N/ mm² und einem Young'schen Modul von 195 000 N/ mm² bestanden, in Form eines Bandes in einer Reihe ausgerichtet, wobei die Breite auf 18 mm eingestellt wurde und die durchschnittliche Anzahl der Fasern in Dickenrichtung auf 3 eingestellt wurde. Hochreines Aluminium wurde in das System eingebracht, und das System wurde bis auf ein Vakuum von weniger als 1 χ W-* mbar evakuiert. Dann wurde Argongas in das System eingeführt, und unter Halten des Argondruckes bei 2,66 χ 10-² mbar wurde eine Spannung von —1,0 kV an die Kohlefasern angelegt, um sie 5 min lang einer Plasmaätzung zu unterwerfen.

Nach der Ätzung wurde das Aluminium durch Widerstandserhitzen verdampft und durch Ionen-Plattierung auf den bei 100⁰C gehaltenen Kohlefasern mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von Ι,Ομπι/πιίη abgeschieden. Auf diese Weise wurde eine bandartige Anordnung von Kchicfasern mit einem Aluminiumüberzug mit einer Dicke von 4 μιη erhalten. Der Anteil der Kohlefasern in der Anordnung betrug 30 Vol.-%.

20 derartige Anordnungen wurden in einer Richtung aufeinandergestapelt und unter einem Druck von 900 bar 1 Stunde lang in einem Vakuum von 2,66 χ 10-⁵ mbar auf 560° C erhitzt zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Metalls mit einem Kohlefasergehalt von 31 Vol.-%. Das Metall entwich zum Teil beim Erhitzen unter Druck aus dem System. Das dabei erhaltene kohlefaserverstärkte Metall hatte eine Zähigkeit in Richtung der Faserachse von 460 N/mm² und eine gute elektrische Leitfähigkeit. so

Beispiel 2

Auf ähnliche Weise wurde nach dem in Beispiel 1 angegebenen Verfahren ein Wirrfasermaterial, das aus Kohlefasern mit einer Länge von 1 bis 4 cm bei einer durchschnittlichen Länge von 2 cm und mit einem Durchmesser von 9,0 μπι bestand und das eine Bandbreite von 11 mm hatte und durchschnittlich 5 Einzelfasern in der Dickenrichtung aufwies, zusammen mit Titan in ein Vakuumsystem eingeführt Das Titan wurde verdampft und durch Ionenplattiemng mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,5 um/min abgeschieden. Dann wurde bei einen Vakuum von 6,65 χ 10-⁵ mbar Kupfer auf beide Oberflächen des Wirrfaser-Gewebes mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 3,0 μΐη/min im Vakuum aufgedampft

Die aufgebrachte Titanschicht war 0,1 μιη dick, und Auf ähnliche Weise wie bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wurden 6000 Kohlefäden mit einem Durchmesser von 7,0 μπι in einem Vakuumsystem in einer Richtung in Form eines Bandes mit einer Breite von 14 mm ausgerichtet, wobei die durchschnittliche Anzahl der Fasern in der Dicken richtung auf 3 eingestellt wurde. Es wurde auch Titan in das System eingeführt Das System wurde bis zu einem Vakuum van weniger als 1 χ 10"⁴ mbar evakuiert und dann wurde Stickstoffgas in das System eingeleitet Unter Halten des Stickstoffdruckes bei 2,66 χ 10-²mbar wurde eine Spannung von —1,0 kV an die Kohlefaden angelegt, um die Fäden 5 min lang einer Plasmaätzung zu unterwerfen.

Nach Ablauf von 5 min wurden die Kohlefäden unter Verwendung einer Tantalheizvorrichtung auf 200°C vorerwärmt. Andererseits wurde Titan durch Widerstandserhitzen verdampft, und auf den Oberflächen der Kohlefäden wurde mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,5 um/min ein Titannitridüberzug gebildet. Die Dicke des Überzugs betrug 0,2 μπι. Dann wurde das System erneut auf ein Vakuum von weniger als 1 χ ΙΟ-⁴ mbar evakuiert, und es wurde Argongas in das System eingeführt. Unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie in Beispiel 1 wurde Aluminium in einer Dikke von 2,5 μπι durch Ionen-Plattierung mit einer Abscheidungsgeschwindigkeit von Ι,Ομπι/min abgeschieden. Auf diese Weise wurde ein bandartiges Vormaterial mit einer Dreischichtenstruktur aus Kohlenstoff-Titannitrid-Aluminium erhalten.

50 derartige Vormaterialien wurden aufeinandergestapelt und unter einem Druck von 50 bar JO min lang unter einem Vakuum von 6,65 χ 10-⁵ mbar auf 650⁰C erhitzt zur Herstellung eines kohlefaserverstärkten Metalls mit einem Aluminiumüberzug. Das dabei erhaltene kohlefaserverstärkte Metall enthielt 35 VoI.-% der Kohlefasern und hatte eine Zähigkeit in Richtung der Faserachse von ca. 580 N/mm².

40

45 Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vormaterial für kohlefaserverstärkte Metalle, bestehend aus einer Vielzahl von metallbeschichteten Kohlefasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbeschichtungen (12) benachbarter Kohlefasern (25,25') jeweils im Bereich von Berührungspunkten (24,24') unter Ausbildung eines flexiblen vernetzten Bandes miteinander verbunden sind, wobei die durchschnittliche Anzahl metallbeschichteter Kohlefasern in Dickenrichtung des Bandmaterials t bis 10 beträgt

Z Vormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Anzahl metallbeschichteter Kohlefasern in Dickenrichtung des Bandes 3 bis 5 beträgt

3. Vormaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Beschichtungsmetall um Aluminium, Titan, Magnesium, Zink, Blei, Zinn, Nickel, Eisen Kobalt, Kupfer, Silber oder Gold handelt

4. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Beschichtungsmetall überzogenen Kohlefasern eine Zwischenschicht aus Titan oder Silizium oder einem Karbid oder Nitrid davon aufweisen, die zwischen der Metallbeschichtung und der Kohlefaser angeordnet ist

5. Vormaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Beschichtungsmetall um Aluminium handelt und daß die Zwischenschicht aus Ti, TiC, TiN, SiC octer Si₃NL. besteht

6. Vormaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem "eschichtungsmetall um Nickel, Eisen oder Kobalt handelt und daß die Zwischenschicht aus TiQ TiN, SiC oder Si₃N₄ besteht

7. Vormaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß es sich bei dem Beschichtungsmetall um Titan handelt und daß die Zwischenschicht aus SiC oder Si₃N₄ besteht.

8. Vormaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß es sich bei dem Beschichtungsmetall um Magnesium, Zink, Blei, Zinn, Kupfer, Silber oder Gold handelt und daß die Zwischenschicht aus Ti, Si TiC, TiN, SiC oder Si₃N₄ besteht

9. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern einen Durchmesser von 5 bis 10 μπι aufweisen.

10. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern in einer Menge von 5 bis 70 Vol.-% vorliegen.

1t. Vormaterial nach einem der Ansprüche 4 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht eine Dicke von 0,01 bis 0,5 μπι aufweist.

12. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern in eine Richtung ausgerichtet sind.

13. Vormaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlefasern ein Wirrfasergewebe bilden.

14. Verfahren zum Herstellen des Vormaterials nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,daß Kohlefasern in ungerichteter oder gerichteter Anordnung übereinander angeordnet werden, wobei die durchschnittliche Anzahl von übereinander angeordneten metallbeschichteten Kohlefasern 1 bis 10

beträgt, worauf diese Fasern mit Hilfe der lonen-Plattierung mit einer Metallbeschichtung versehen werden und mit Hilfe der Metallbeschichtungen benachbarte Kohlefasern punktweise miteinander zu einem Netzwerk verbunden werden, und daß je Minute 0,5 bis 10 μΐη Metall auf die Kohlefasern abgeschiedenwird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von gerichtet sn Kohlefasern die Fasern zu einer Breite W von bis