DE3130116A1

DE3130116A1 - Oberflaechenbehandlung von kohlenstoff

Info

Publication number: DE3130116A1
Application number: DE19813130116
Authority: DE
Inventors: Abraham 01960 Peabody Mass. Ogman
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1980-07-30
Filing date: 1981-07-27
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2487865B1; JPH0225878B2; FR2487865A1; JPS57118082A; GB2081695B; DE3130116C2; GB2081695A; CA1183738A; US4702960A

Description

Oberflächenbehandlung von Kohlenstoff

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Behandlung der Fläche von Kohlenstoffmaterialien zur Verbesserung der Verbindung ( Scherfestigkeit ) zwischen dem Kohlenstoff und einem vorgeschlagenen Bindematerial. Die Erfindung ist für Kohlenstoffoberflächen aller Formen und Größen anwendbar. Sie ist von besonderer Bedeutung für Fasern, für aus vielen Fasern bestehende Tücher, dünne Streifen und dergleichen (die nachstehend als Kohlenstoffasern bezeichnet sind). Die nachfolgende Ausführung befaßt sich mit der Behandlung von Fasern als typisches Ausführungsbeispiel.

Eines der vorherrschenden Probleme auf dem Gebiet der kohlenstoffverstärkten Verbindungen ist die Klebefestigkeit oder Scherfestigkeit zwischen einer Kohlenstoffverstärkung und einem Bindematerial. Das Problem besteht sowohl bei einem Bindematerial aus Kunststoffharz als auch bei einem Metallbindemittel. In der Vergangenheit war es sehr schwierig, eine bruchfeste Verbindung herzustellen, da die Kohlenstoffoberflächen durch die gemeinsamen, benutzten oder vorgeschlagenen Bindematerialien nicht leicht benetzt werden. Weiterhin reagiert in einigen Fällen die Kohlenstoffoberfläche mit dem Bindematerial.

Es sind eine große Anzahl von Oberflächenbehandlungen oder Benetzungsmittel vorgeschlagen worden. Ein Verfahren zur Abwandlung der Oberflächeneigenschaften eines kohlenstoffhaltigen Fasermaterials, das molekularen Sauerstoff ver-

wendet, ist in der US-PS 3 754 947 beschrieben. Die US-PS 3 989 802 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Kohlenstoffasern mit dichromatischem Natrium und Schwefelsäure. Bor und Borverbindungen sind verbreitete Behandlungsmittel für Kohlenstoffasern. Eine Form einer derartigen Behandlung ist in der US-PS 3 672 936 beschrieben. In der US-PS 3 634 220 ist zur Behandlung von Kohlenstoffasern Sauerstoffgas in Verbindung mit Hochfrequenz vorgeschlagen worden. Eine solche Liste ist sehr umfangreich. In Verbindung mit Metallverbindungsmaterialien sind insbesondere Kohlenstoffasern mit Titankarbid, Siliciumkarbid und Borkarbid behandelt worden.

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine spezielle Form einer SÜLciumkarbidbehandlung für eine Kohlenstoff fläche zu schaffen.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine kohlenstoffreiche Siliciumkarbidbehandlung für eine Kohlenstofffläche zu schaffen.

Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Form' einer kohlenstoffreichen Schicht auf einer Kohlenstoffflache zu schaffen, in der der Prozentsatz des Siliciums zum Kohlenstoff sich von null an der Kohlenstofffläche verändert und zu eins an der Außenfläche der kohlenstoffreichen Schicht erhöht.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Dampfablagerungsverfahren zur Ablagerung einer kohlenstoffreichen Schicht auf einer Kohlenstofffläche für eine Verbesserung der Scherfestigkeit des Kohlenstoffmaterials gegenüber dem Bindematerial zu schaffen.

Es wird angenommen, daß Siliciumkarbid besonders empfindlich auf die Anwesenheit von nichtstöchiometrischem Siliciumkarbid oder Verunreinigungen anspricht. I.T.Kendall, Journal of Chemical Physics, Vol.21, pg.821 (1953). Da sowohl Kendali als auch K.Arnt & E.IIausmanne in Zeits Anorg Chem., Vol.215, pg. 66 (1933) keinen Beweis für nichtstöchiometrisches Siliciumkarbid gefunden haben, wird angenommen, daß der KohlenstoffÜberschuß in dem Siliciumkarbid als eine Verunreinigung erscheint. Die Eigenschaften des Siliciumkarbids reagieren besonders empfindlich auf die Anwesenheit von Verunreinigungen wie Kohlenstoff.

Obwohl die genaue Struktur eines kohlenstoffreichen Siliciumkarbids nicht mit Gewißheit bekannt ist, sind Bereiche festgestellt worden, in denen quantitativ ein Kohlenstoffüberschuß vorhanden ist. Es wurde auch theoretisch angenommen, daß ein Teil des Siliciums in ungebundenem Zustand vorhanden ist.

Die neuen als charakteristisch für die Erfindung festgestellten Merkmale sind in den Ansprüchen enthalten. Die Erfindung selbst ist sowohl in ihrer Gestaltung als auch im Herstellungsverfahren zusammen mit zusätzlichen Zielen und Vorteilen in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels dargestellt, wobei zur Erläuterung die Zeichnung gehört. In der Zeichnung sind:

Fig. 1 ein Querschnitt durch eine Kohlenstoffaser,

die eine Oberflächenschicht eines kohlenstoffreichen Siliciumk-arbids hat, die die Grundgedanken der Erfindung enthält,

Fig. 2 eine Bohrdarstellung der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht und

Fig. 3 ein Dampfablagerungsreaktor, der zur Darstellung des bevorzugten Verfahrens zur Herstellung der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht verwendet wird.

In Fig.1 ist ein Querschnitt durch eine Kohlenstoffaser mit einer kohlenstoffreichen Oberflächenschicht 13 gezeigt, die auf der Kohlenstoffaser 11 aufgelegt ist. Die Zusammensetzung der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht 13 ist in dem Bohrdiagramm der Fig.2 gezeigt. Das Symbol 15 zeigt die Zwischenfläche zwischen der Kohlenstoffaser 11 und der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht 13. An der Außenfläche 17 der kohlenstoffreichen Oberfläche 13 ist der Siliciumanteil als ein Prozentsatz des stöchiometrischen Siliciumkarbids mit 40% angegeben, um dies mit anderen Worten auszudrücken, lautet das Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff 0,4. Das Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff nimmt längs der Kurve ab, wie dies in Fig.2 gezeigt ist,und wird an der Zwischenfläche 15 zu null.

Die Tiefe der kohlenstoffreichen Oberflächenschicht be-

μηχ ₊
trägt etwa 0,25 - 20%. Das bevorzugte Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff an der äußeren Fläche 17 liegt Ln dem Bereich von 0_r3 bis 0,5, wobei sich 0,4 als das gewünschte Verhältnis herausgebildet hat. Im breitesten Sinne umfaßt die Erfindung die Ablagerung einer kohlensoffrcichen Siliciumkarbidschicht auf den Kohlenstoffflächen, bei der das Verhältnis des Siliciums zu dem Kohlenstoff in dem Bereich von null bis eins liegen kann. Eine gewisse Veränderung in der Tiefe kann zugelassen werden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffreichen

Siliciumkarbidschicht auf einer Kohlenstoffaser durch ein Dampfablagerungsverfahren ist in der Fig.3 gezeigt. Es ist ein Reaktor 19 vorgesehen. Der Reaktor 19 entspricht in der allgemeinen Form den Reaktoren, die in zahlreichen Patentschriften beschrieben sind. Eine Form eines derartigen Reaktors ist in der US-PS 4 068 037 vorgesehen. Typischerweise befindet sich eine Kohlenstofffaser 13 auf einer Winde 21. Die Kohlenstoffaser geht durch eine Quecksilberkontaktöffnung 23, die über einen Anschluß a mit einer Stromquelle verbunden ist. Die Faser geht dann durch den Reaktor und tritt durch eine Quecksilberkontaktöffnung 25 aus, die ebenfalls über einen Anschluß a mit einer Stromquelle verbunden ist. Die behandelte Kohlenstof faser 13 wird dann auf einer Aufnahmewinde 27 am Boden des Reaktors 19 aufgenommen. Der Reaktor 19 hat eine Einlaßöffnung 29 und eine Auslaßöffnung 31.

Die Kohlenstoffaser wird durch den elektrischen Widerstand über die Elektroanschlüsse a-a an den Anschlüssen 23 und 25 erhitzt, bis angenähert eine Dampfablagetemperatur erreicht ist. Eine typische Ablagerungstemperatur liegt in dem Bereich von 1 200° C bis 1 300° C.

Zur Bildung der kohlenstoffreichen Siliciumkarbidschicht wird eine Mischung aus Propan und Dichlorosilan zusammen mit Argon dem Reaktor 19 durch die Einlaßöffnung 2 9 zugeführt. Die Mischung strömt entgegengesetzt der Bewegungsrichtung der Kohlenstoffaser 13 durch das Leitblech 33 und durch die Ausgangsöffnung 31.

In der bevorzugten Zusammensetzung der Mischung überwiegt Siliciumwasserstoff oder Silan.

Da das Dichlorosilan stärker reagiert als das Propan schei-

det es sich in dem Bereich X angrenzend an der Einqanqsöf filling 29 aiisi und lagert ejich auf "der Kuhlnnstuf Γπκπ vorwiegend als Siliciurakarbid ab. Nach einiger Zeit erreicht die Mischung aus Propan und Dichlorosilan den Bereich Y, in dem in der Mischung nun Propan überwiegt, und eine geringere Menge von Siliciumkarbid in Verbindung mit Kohlenstoff wird in dem Bereich Y abgelagert. Da sich die Kohlenstoffaser nach unten bewegt, erreicht sie zuerst den Bereich Y, in dem Propan vorherrscht. Auf dem Bewegungsweg durch den Bereich Y und durch den Bereich X nimmt die Menge des Siliciumkarbxds gegenüber der Menge des Kohlenstoffs, der auf der Kohlenstoffaser 13 abgelagert wird, zu, um den in Fig.2 gezeigten Querschnitt auszubilden.

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der vorstehenden Beschreibung. Zahlreiche andere nicht speziell aufgezählte Merkmale und Vorteile ergeben sich zweifelsfrei für den Fachmann sowie viele Varianten und Abwandlungen des dargestellten Ausführungsbeispiels, die ohne Abweichung von dem Grundgedanken der Erfindung erreicht werden können, der in den Ansprüchen umrissen ist.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1/1 Oberflächenbehandlung für Kohlenstoff, gekennzeichnet durch eine erste Oberfläche, die im wesentlichen aus reinem Kohlenstoff besteht, und durch eine Schicht aus kohlenstoffreichem Siliciumkarbid, die auf der ersten Oberfläche liegt, wobei sich das Verhältnis des Siliciums zu dem Siliciumkarbid der kohlenstoffreichen Schicht von null an der Zwischenfläche an der ersten Oberfläche zu größer als null in der Oberfläche der kohlenstoffreichen Schicht entfernt von der Zwischenfläche verändert.
2. Oberflächenbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff

in der entfernten Oberfläche 0,3 bis 0,5 ist. |\
3. Oberflächenbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der kohlenstoffreichen Silicium-

pm ₊
karbidschicht 0,25 - 20% ist.
4. Verfahren zum Aufbringen einer kohlenstoffreichen Siliciumkarbidschicht auf eine Kohlenstoffschicht, gekennzeichnet durch ein Aufheizen der Kohlenstoffoberfläche auf Dampfablaqerungstemperaturen, durch das Zuführen einer Mischung aus Kohlenwasserstoff und Siliciumwasserstoff in einen Reaktor, der die aufgeheizte Kohlenstof foberfläche enthält, und durch eine Veränderung des Verhältnisses des Siliciumwasserstoffs gegenüber dem Kohlenwasserstoff für eine Dampfablagerung einer kohlenstoffreichen Siliciumkarbidschicht, wodurch das Verhältnis des Siliciums zu dem Kohlenstoff an der Kohlenstof foberflache gleich null ist und zu einem Maximum an

der äußeren Oberfläche der kohlenstoffreichen Siliciumkarbidschicht zunimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Verhältnis von Silicium zu Kohlenstoff in dem Bereich von 0,3 bis 0,5 liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff Propan und der Siliciumwasserstoff Dichlorosilan ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfablagerungstemperatur zwischen 1 200° C und

1 300° C liegt.