DE3130140C2

DE3130140C2 - Faserverstärkter Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE3130140C2
Application number: DE3130140A
Authority: DE
Inventors: Kohji Yamatsuta; Ken-Ichi Nishio
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 1980-07-30
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1993-11-11
Anticipated expiration: 2001-07-31
Also published as: US4489138A; IT1144747B; GB2081353B; IT8168062A0; DE3130140A1; CA1177285A; US4547435A; FR2487855B1; GB2081353A; FR2487855A1

Description

Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten metallischen Verbundwerkstoff, nachstehend kurz als Verbundwerkstoffe bezeichnet, der sich durch hervorragende mechanische Festigkeit auszeichnet. Dieser Verbundwerkstoff enthält anorganische Fasern als Verstärkungsmittel sowie mindestens eines der Metalle Aluminium, Magnesium, Kupfer, Nickel oder Titan oder deren Legierungen als Grundmasse bzw. Matrix. Nachstehend wird die Grundmasse auch als Matrix-Metall bezeichnet.

Seit kurzem sind Verbundwerkstoffe aus anorganischen Fasern, wie Aluminiumfasern, Kohlenstoffasern, Kieselsäurefasern, Siliciumcarbidfasern oder Borfasern, als Verstärkungsmittel und Metallen, wie Aluminium, Magnesium, Kupfer, Nickel oder Titan, als Matrix-Metall bekannt. Derartige Verbundwerkstoffe finden auf zahlreichen Gebieten der Technik Anwendung.

Bei der Vereinigung von anorganischen Fasern mit einem Matrix-Metall erfolgt an der Grenzfläche zwischen dem in geschmolzenem Zustand oder bei hohen Temperaturen vorliegenden Matrix-Metall und den anorganischen Fasern eine Reaktion. Es bildet sich dabei eine geschwächte Schicht aus, welche die Festigkeit des erhaltenen Verbundwerkstoffs beeinträchtigt. Beispielsweise haben die üblichen Kohlenstoffasern eine Festigkeit von etwa 300 kg/mm², und die theoretische Festigkeit eines durch Kohlenstoffasern verstärkten Verbundwerkstoffs sollte nach der Mischungsregel etwa 150 kg/mm² betragen, wobei der Fasergehalt zu 50 Volumprozent angenommen wird, selbst wenn die Festigkeit des Matrix-Materials vernachlässigt wird. Tatsächlich zeigt ein durch Kohlenstoffasern verstärkter Verbundwerkstoff auf der Basis von Epoxydharzen eine Festigkeit von mindestens 150 kg/mm². Die Festigkeit eines durch Kohlenstoffasern verstärkten metallischen Verbundwerkstoffes auf der Basis von Aluminium als Matrix-Metall, der nach der Methode der Infiltration mittels flüssigen Metalls erhalten worden ist, beträgt höchstens etwa 30 bis 40 kg/mm². Die Ursache dieser Festigkeitsabnahme beruht auf einer Beeinträchtigung der Fasern aufgrund einer Grenzflächenreaktion zwischen den Fasern und dem geschmolzenen Metall.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden verschiedene Verfahren entwickelt, einschließlich der Behandlung der Faseroberfläche mit Beschichtungsmitteln. Beispielsweise ist in der JP-OS 30 407/1978 ein Verfahren beschrieben, bei dem die Oberfläche einer Siliciumcarbidfaser mit den Metallen B, Mn, Mo, Al, W, Si, Cr, Ca, Ce, V, U, Th, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf, Be, Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Pt, Au und Pb oder keramischen Werkstoffen geschützt wird. Es bildet sich eine Verbindung, die gegenüber Kohlenstoff inaktiv oder stabil ist. Erst dann wird die Faser mit einem Matrix- Metall vereinigt. Dieses Verfahren eignet sich zwar zum Schutz von Siliciumcarbidfasern, doch ist es zum Schutz anderer anorganischer Fasern nicht geeignet. Außerdem ist das Verfahren kompliziert. Aus der JP-OS 70 116/1976 ist es bekannt, daß die mechanische Festigkeit eines faserverstärkten metallischen Verbundwerkstoffes durch Zusatz von Lithium in einer Menge von mehreren Prozent zu einer Aluminium- Matrix erhöht wird. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nur in den Fällen, in denen die anorganische Faser mit dem Matrix-Metall unverträglich ist oder nicht mit diesem in Reaktion tritt. Sofern die anorganischen Fasern mit dem Matrix-Metall reagieren und hierdurch eine Verschlechterung ihrer Eigenschaften eintritt, ist das Verfahren praktisch wirkungslos und die mechanische Festigkeit nimmt ab. Bis jetzt steht kein geeignetes Verfahren zur Überwindung der vorstehenden Nachteile zur Verfügung.

Die DE-OS 27 01 421 betrifft ein Bauteil mit einem faserverstärkten Abschnitt und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei hat sich die Hitzebeständigkeit der Bauteile als Problem erwiesen; über die Erhöhung der Festigkeit der Verbundwerkstoffe wird nichts erwähnt. In der wissenschaftlichen Untersuchung "D. Altenpohl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Berlin 1965" werden verschiedene Aluminiumlegierungen untersucht. Dabei wird deren Oberflächenspannung nach Zusatz verschiedener Metalle bestimmt. Faserverstärkte Verbundstoffe werden nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Verbundwerkstoffe auf der Basis der Metalle Aluminium, Magnesium, Kupfer, Nickel oder Titan oder deren Legierungen als Grundmasse (Matrix) und anorganischen Fasern als Verstärkungsmittel zu entwickeln, bei denen eine Verschlechterung der Eigenschaften der anorganischen Fasern aufgrund ihrer Umsetzung mit dem Matrix-Metall unterdrückt ist und die mechanische Festigkeit des Verbundwerkstoffs erheblich verbessert ist. Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Befund, daß durch Zusatz mindestens eines der Elemente Kalium, Cäsium, Rubidium, Strontium, Barium, Wismut oder Indium in elementarer Form oder als anorganische oder organische Verbindung und in einer Menge von 0,0005 bis 10 Gew.-% zum Matrix-Metall und/oder dem Verstärkungsmittel die Verschlechterung der anorganischen Fasern aufgrund ihrer Umsetzung mit dem Matrix-Metall vermiesen werden kann und sich die Festigkeit der Verbundwerkstoffe erheblich erhöhen läßt.

Die Erfindung betrifft somit den in den Patentansprüchen gekennzeichneten Gegenstand.

Spezielle Beispiele für die als Verstärkungsmittel geeigneten anorganischen Fasern sind Kohlenstoffasern, Kieselsäurefasern bzw. Siliciumoxidfasern, Siliciumcarbidfasern, die freien Kohlenstoff enthalten, Borfasern und Aluminiumoxidfasern. Die in der JP-AS 13 768/1976 beschriebenen Aluminiumoxidfasern ergeben die stärkste verstärkende Wirkung im Matrix-Metall.

Diese bekannten Aluminiumoxidfasern werden durch Vermischen eines Polyaluminoxans mit Grundbausteinen der allgemeinen Formel

in der Y mindestens einen organischen Rest, ein Halogenatom oder eine Hydroxylgruppe bedeutet, mit mindestens einer Silicium enthaltenden Verbindung in derartiger Menge, daß der Kieselsäuregehalt der Aluminiumoxidfasern höchstens etwa 28 Prozent beträgt, Verspinnen des erhaltenen Gemisches und Calcinieren der erhaltenen Fäden bzw. Fasern hergestellt. Besonders bevorzugt sind Aluminiumoxidfasern mit einem Kieselsäuregehalt von 2 bis 25 Gewichtsprozent, die im Röntgenbeugungsdiagramm keine nennenswerten Beugungen aufgrund von α-Al₂O₃ zeigen. Die Aluminiumoxidfasern können ein oder mehrere feuerfeste Materialien enthalten, wie Oxide von Lithium, Beryllium, Bor, Natrium, Magnesium, Silicium, Phosphor, Kalium, Calcium, Titan, Chrom, Mangan, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Wolfram oder Barium.

Der Anteil der anorganischen Fasern in den Verbundwerkstoffen der Erfindung kann in einem verhältnismäßig breiten Bereich liegen. Vorzugsweise beträgt der Anteil 15 bis 70 Volumenprozent. Bei einem Gehalt von weniger als 15 Volumenprozent nimmt die verstärkende Wirkung ab. Bei einem Gehalt von mehr als 70 Volumenprozent nimmt die Festigkeit ebenfalls ab aufgrund der Berührung zwischen den Faserelementen. Die Fasern können kurz oder lang sein, und je nach dem Verwendungszweck können entweder lange Fasern oder kurze Fasern oder ein Gemisch derartiger Fasern verwendet werden. Zur Erzielung der gewünschten mechanischen Festigkeit oder des gewünschten Elastizitätsmoduls können die Fasern geeigneten Orientierungsmethoden unterworfen werden, beispielsweise in einer Richtung, in Querrichtung oder in statistischer Orientierung.

Als Matrix-Metall werden Aluminium, Magnesium, Kupfer, Nickel oder Titan oder deren Legierungen verwendet. Sofern leichtes Gewicht und hohe mechanische Festigkeit erforderlich sind, wird als Matrix-Metall Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung dieser Metalle verwendet. Sofern es auf Wärmebeständigkeit und hohe Festigkeit ankommt, wird als Matrix-Metall Nickel oder Titan bevorzugt. Diese Metalle können geringe Mengen an üblichen Verunreinigungen enthalten.

Der Zusatz der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Elemente führt zu einer erheblichen Erhöhung der mechanischen Festigkeit der faserverstärkten Verbundwerkstoffe. Der für diese Festigkeitszunahme verantwortliche Mechanismus ist noch unbekannt.

Bei der Zugabe eines der Elemente zum Matrix-Metall wird die Konzentration des jeweiligen Elements an der Oberfläche des Matrix-Metalls höher als seine durchschnittliche Konzentration. Bei Aluminium z. B. nimmt bei Zugabe von Wismut, Indium, Strontium oder Barium in einer Menge von 0,1 Molprozent die Oberflächenspannung von Aluminium um 400, 20, 60 bzw. 300 dyn/cm ab im Vergleich zur Oberflächenspannung von reinem Aluminium. Dies kann der Tatsache zugeschrieben werden, daß die Konzentration des Elementes an der Oberfläche höher ist als die durchschnittliche Konzentration in dem Matrix-Metall. Dies ergibt sich durch die Gibbssche Adsorptionsisotherme. Bei einem faserverstärkten metallischen Verbundwerkstoff, der aus einem Matrix-Metall besteht, das dieses Element enthält, wird also dieses Element in hoher Konzentration an der Grenzfläche Faser und Metall-Matrix angereichert. Dies wurde tatsächlich nachgewiesen mittels eines Rasterelektronenmikroskops und mittels EPMA (Electron Probe Micro Analyser).

Bei der Untersuchung einer Bruchfläche eines faserverstärkten metallischen Verbundwerkstoffs aus einem Matrix-Metall und Fasern mit einem der genannten Elemente mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigt sich, daß die Reaktionsphase an der äußeren Oberfläche der Fasern, welche bei das Element nicht enthaltenden Verbundwerkstoffen die Bindungsfestigkeit an der Faser- Matrix-Grenzfläche schwächt, verschwunden ist.

Daraus folgt, daß die Reaktion an der Faser-Matrix-Metall-Grenzfläche nicht erfolgt oder auf ein Mindestmaß beschränkt ist. Das Element ist in hoher Konzentration an der Faser-Matrix-Metall-Grenzfläche vorhanden und steuert die Umsetzung an dieser Grenzfläche. Dies führt zu einer stark erhöhten Festigkeit der Verbundwerkstoffe.

Im Falle der Verbundwerkstoffe der Erfindung ist die Kombination an der Faser-Matrix-Metall-Grenzfläche nicht geschwächt im Vergleich zu einem Verbundwerkstoff, der nicht die erfindungsgemäß verwendeten Elemente enthält. Bei der Behandlung von herkömmlichen Verbundwerkstoffen mit verdünnter Salzsäure zur Abtrennung des Matrix-Metalls zeigen die erhaltenen isolierten Fasern eine beträchtliche Abnahme der Zugfestigkeit im Vergleich zu Fasern aus Verbundwerkstoffen der Erfindung.

Bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen auf der Basis einer Aluminiumlegierung, die 0,5 Gewichtsprozent Natrium oder Lithium oder 5 Gewichtsprozent Magnesium enthält, ist die Festigkeit stark vermindert. An der Oberfläche der Bruchstelle ist mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops die Gegenwart der Reaktionsphase an der äußeren Oberfläche der Fasern festzustellen. Die Zugfestigkeit der Fasern nach Abtrennung des Matrix-Metalls ist stark vermindert im Vergleich zur Zugfestigkeit unbehandelter Fasern. Vermutlich reagieren die Elemente Kalium, Rubidium, Cäsium, Strontium, Barium, Wismut und Indium mit den Fasern an der Grenzfläche, doch ist aufgrund ihres großen Atomradius ihre Diffusion in die Fasern derart verlangsamt, daß eine Beeinträchtigung der Fasern nicht hervorgerufen wird und die Bindungsfestigkeit der Fasern mit dem Matrix-Metall an der Grenzfläche erhöht ist.

Es wird somit angenommen, daß diese Elemente in hoher Konzentration an der Faser-Matrix-Metall-Grenzfläche sich anreichern und mit den Fasern unter Ausbildung einer einzigen Schicht reagieren und die Umsetzung zwischen den Fasern und dem Matrix-Metall steuern. Jedenfalls ergibt sich eine starke Zunahme der mechanischen Festigkeit des Verbundwerkstoffs.

Kalium, Rubidium, Cäsium, Strontium, Barium, Wismut oder Indium können entweder in elementarer Form oder als anorganische oder organische Verbindung eingesetzt werden. Es ist überraschend, daß das in Form einer Verbindung zugesetzte Element ähnliche Wirkungen hervorruft wie das in elementarer Form zugesetzte Metall. Vermutlich wird ein Teil oder die gesamte anorganische oder organische Metallverbindung zersetzt oder reduziert bevor oder nachdem die Faser mit dem Matrix-Metall zusammenkommt, so daß sie eine ähnliche Wirkung entfaltet wie das Metall in elementarer Form. Die Verwendung des Metalls in Form einer Verbindung ist besonders vorteilhaft, wenn das Metall selbst chemisch instabil und schwierig handhabbar ist. Beispiele für verwendbare anorganische und organische Verbindungen der Metalle sind Halogenide, Hydride, Oxide, Hydroxide, Sulfonate, Nitrate, Carbonate, Chlorate, Carbide, Nitride, Phosphate, Sulfide, Phosphide, Alkylverbindungen, Verbindungen mit organischen Säuren und Alkoholate.

Das Metall wird in elementarer Form oder als Verbindung in einer Menge von 0,0005 bis 10 Gewichtsprozent, berechnet auf das Element, dem Matrix-Metall einverleibt. Bei Verwendung von weniger als 0,0005 Gewichtsprozent ist die Wirkung ungenügend. Bei Verwendung von mehr als 10 Gewichtsprozent verschlechtern sich die charakteristischen Eigenschaften des Matrix-Metalls, z. B. erfolgt Abnahme der Korrosionsbeständigkeit und Verminderung der Dehnung.

Der Zusatz des Elementes zum Matrix-Metall kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann das elementare Metall oder die organische oder anorganische Metall- Verbindung auf die Oberfläche der anorganischen Fasern unter Bildung einer Schicht aufgebracht werden. Sodann werden die Fasern mit dem Matrix-Metall kombiniert. Die Verwendung organischer oder anorganischer Metallverbindungen ist besonders vorteilhaft, wenn die Handhabung der elementaren Metalle schwierig ist. Die Bildung der Schicht auf der Oberfläche der anorganischen Fasern kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Elektrolyse, stromloses Plattieren, Aufdampfen im Vakuum, Aufsputtern, chemisches Verdampfen, Aufsprühen eines Plasmas, Tränken mit einer Lösung oder Dispersion. Von diesen Verfahren ist das Tränken mit einer Lösung oder Dispersion besonders bevorzugt zur Bildung einer Schicht der anorganischen oder organischen Metallverbindung auf der Faseroberfläche. Bei diesen Methoden wird die Metallverbindung in einem Lösungsmittel gelöst oder dispergiert. Sodann werden die anorganischen Fasern in diese Lösung oder Dispersion getaucht, anschließend herausgenommen und getrocknet. Hierauf werden die behandelten Fasern mit dem Matrix-Metall vereinigt. Es werden Metallverbundwerkstoffe hoher Festigkeit erhalten. Das Verfahren ist wesentlich einfacher und wirtschaftlicher als andere Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf den Fasern.

Die Dicke der Beschichtung auf den Fasern beträgt mindestens etwa 2 nm. Bei einer Dicke unterhalb etwa 2 nm ist die Wirkung weniger stark ausgeprägt.

Es ist typisch für die vorliegende Erfindung, daß gute Ergebnisse erhalten werden, selbst wenn die Beschichtung der anorganischen Fasern mit dem Metall in elementarer Form oder aus einer Verbindung keine gleichmäßige Dicke aufweist. Dies beruht vermutlich auf der Tatsache, daß ein Teil des auf die Faseroberfläche aufgebrachten Elements im Matrix- Metall gelöst und in hoher Konzentration an der Faser- Matrix-Metall-Grenzfläche vorliegt.

Der Zusatz des Elements zum Matrix-Metall kann ebenfalls in Form entweder des elementaren Metalls oder einer Metallverbindung erfolgen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß das Beschichten der Faseroberfläche entfällt. Die Zugabe des Elements zum Matrix-Metall erfolgt in an sich bekannter Weise, wie sie zur Herstellung von Legierungen üblich ist. Beispielsweise wird das Matrix-Metall in einem Tiegel an der Luft oder unter einem Schutzgas geschmolzen. Danach wird das Element in metallischer Form oder als Metallverbindung zugesetzt. Das Gemisch wird gründlich gerührt und danach abgekühlt. In einigen Fällen kann das Matrix-Metall als Pulver mit der pulverförmigen anorganischen oder organischen Metallverbindung vermischt werden.

Die Herstellung des Verbundwerkstoffs der Erfindung kann nach verschiedenen Methoden erfolgen, z. B. nach den Flüssigphase- Methoden (z. B. der flüssigen Metall-Infiltrationsmethode), feste Phasen-Methoden (z. B. Diffusionsbindung), Pulvermetallurgie (Sintern, Schweißen), Fällungs-Methoden (z. B. Schmelzspritzen, Elektroabscheidung, Verdampfen), durch plastische Verformung (z. B. Extrudieren oder Preßwalzen) und Abquetschgießen. Besonders bevorzugt ist die Flüssigmetall- Immersionsmethode und die Hochdruck-Coaguliergieß- Methode, bei denen das geschmolzene Metall unmittelbar mit den Fasern zusammengebracht wird. Eine ausreichende Wirkung läßt sich auch mit den anderen, vorstehend erwähnten Verfahren erzielen.

Der auf diese Weise hergestellte metallische Verbundwerkstoff zeigt eine erheblich höhere mechanische Festigkeit als Verbundwerkstoffe, welche die genannten Elemente nicht enthalten. Die Herstellung des Verbundwerkstoffs der Erfindung kann mittels üblicher Vorrichtungen erfolgen, die keine Abänderung erfahren müssen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

In einem Graphittiegel wird Aluminium einer Reinheit von 99,99 Prozent unter Argon als Schutzgas auf 700°C erhitzt. Sodann wird eine bestimmte Menge eines der nachstehend in Tabelle I aufgeführten Metalle zugesetzt, das Gemisch wird gründlich gerührt und abgekühlt. Es wird eine Legierung des Matrix-Metalls erhalten.

Als anorganische Fasern werden folgende Fasern verwendet:

1) Aluminiumoxidfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 14 µm, einer Zugfestigkeit von 150 kg/mm² und einem Youngschen Elastizitätsmodul von 23 500 kg/mm² (Al₂O₃-Gehalt 85 Gewichtsprozent, SiO₂-Gehalt 15 Gewichtsprozent);
2) Kohlenstoffasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 7,5 µm, einer Zugfestigkeit von 300 kg/mm² und einem Young-Elastizitätsmodul von 23 000 kg/mm²;
3) freien Kohlenstoff enthaltende Siliciumcarbidfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 15 µm, einer Zugfestigkeit von 220 kg/mm² und einem Young-Elastizitätsmodul von 20 000 kg/mm²;
4) Siliciumdioxidfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 9 µm, einer Zugfestigkeit von 600 kg/mm² und einem Young-Elastizitätsmodul von 7400 kg/mm² und
5) Borfasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 140 µm, einer Zugfestigkeit von 310 kg/mm² und einem Young-Elastizitätsmodul von 38 000 kg/mm².

Die anorganischen Fasern werden parallel in ein Gießrohr mit einem inneren Durchmesser von 4 mm eingeführt. Sodann wird das Matrix-Metall unter Argon als Schutzgas auf 700°C erhitzt und in die Schmelze wird das eine Ende des Gießrohres getaucht. Das andere Ende des Gießrohres wird unter vermindertem Druck entgast. Die Oberfläche des geschmolzenen Matrix-Metalls wird mit einem Druck von 50 kg/cm² beaufschlagt. Auf diese Weise wird das geschmolzene Matrix-Metall in die Faser gedrückt. Der Verbundwerkstoff wird abgekühlt. Der Fasergehalt des Verbundwerkstoffes wird auf 50±1 Volumengprozent eingestellt.

Zum Vergleich wird ein faserverstärkter Verbundwerkstoff aus 99,99prozentig reinem Aluminium auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt.

Die erhaltenen faserverstärkten Verbundwerkstoffe werden auf Biegefestigkeit und Biegemodul untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß der Verbundwerkstoff der Erfindung eine erheblich größere mechanische Festigkeit aufweist als ein Verbundwerkstoff, welcher reines Aluminium als Matrix-Metall enthält.

Tabelle I

Beispiel 2

In einem Graphittiegel wird 99,99prozentig reines Aluminium unter Argon als Schutzgas auf 700°C erhitzt und geschmolzen. Eine bestimmte Menge der in Tabelle II angegebenen Metallverbindung wird zugegeben, und das Gemisch wird gründlich gerührt und danach abgekühlt. Es wird eine Legierung des Matrix-Metalls erhalten.

Als anorganische Fasern werden die in Beispiel 1 aufgeführten Fasern verwendet. Das Verfahren zur Herstellung der Verbundwerkstoffe erfolgt gemäß Beispiel 1. Der Fasergehalt der Verbundwerkstoffe wird auf 50±1 Volumenprozent eingestellt.

In Tabelle II ist die Biegefestigkeit bei Raumtemperatur angegeben. Sämtliche Verbundwerkstoffe der Erfindung zeigen gegenüber den in Tabelle I aufgeführten Vergleichsbeispielen eine deutliche Erhöhung der Festigkeit.

Tabelle II

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird Magnesium, Kupfer bzw. Nickel als Matrix-Metall verwendet.

Technisch reines Magnesium einer Reinheit von 99,9 Prozent wird unter Argon als Schutzgas in einem Graphittiegel auf 700°C erhitzt und geschmolzen. Eine bestimmte Menge des in Tabelle III angegebenen Metalls wird zugegeben. Das Gemisch wird gründlich verrührt und danach abgekühlt. Es wird ein Matrix-Metall in Form einer Legierung erhalten, das sodann gemäß Beispiel 1 mit den in Beispiel 1 verwendeten Aluminiumoxidfasern vermischt wird. Zum Vergleich wird ein Verbundwerkstoff aus reinem Magnesium als Matrix-Metall hergestellt. Der Fasergehalt des Verbundwerkstoffes wird auf 50±1 Volumprozent eingestellt.

Im Fall von Kupfer werden die in Beispiel 1 eingesetzten Aluminiumoxidfasern verwendet. Diese Fasern werden mit einer Dispersion getränkt, die durch Dispergieren von 98,0 g Kupfer einer Korngröße unter 300 µm und 2,0 g Wismut einer Korngröße unter 300 µm in einer Lösung von Polymethylmethacrylat in Chloroform hergestellt worden ist. Es wird eine Aluminiumoxidfasermatte hergestellt, deren Oberfläche mit Kupfer- und Wismutpulver beschichtet ist. Die Matte hat eine Dicke von etwa 250 µm und einen Fasergehalt von 56,7 Volumprozent. 10 Fasermatten werden übereinandergeschichtet und in eine Gießform aus Kohlenstoff gegeben, welche in eine Vakuum-Heißpresse eingestellt und auf 450°C unter einem Vakuum von 10^-2 Torr erhitzt wird. Dabei wird die Polymethylmethacrylatschlichte zersetzt. Der Druck und die Temperatur werden allmählich erhöht. Schließlich wird das Material 20 Minuten bei einem Druck von 10^-3 Torr, bei einer Temperatur von 650°C und einem Preßdruck von 400 kg/mm² gehalten. Es wird ein Verbundwerkstoff erhalten. Zum Vergleich wird ein faserverstärkter Verbundwerkstoff erhalten, bei dem lediglich Kupfer als Matrix-Metall verwendet wird.

Im Fall von Nickel werden die in Beispiel 1 eingesetzten Aluminiumoxidfasern verwendet. Die Fasern werden in eine Dispersion getaucht, die durch Dispergieren einer 2,0 Gewichtsprozent Barium enthaltenden Nickellegierung als Pulver in einer Lösung von Polymethylmethacrylat in Chloroform hergestellt worden ist. Es wird eine Aluminiumoxidfasermatte erhalten, deren Oberfläche mit Nickel mit 2,0 Gewichtsprozent Barium als Legierungskomponente beschichtet ist. Diese Fasermatte hat eine Dicke von etwa 250 µm und einen Fasergehalt von 55,4 Volumprozent. 10 Fasermatten werden übereinandergelegt und in eine Gießform aus Kohlenstoff gegeben, die in eine Vakuum-Heizpresse eingestellt und 2 Stunden auf 450°C und einem Vakuum von 10^-2 Torr erhitzt wird. Auf diese Weise wird die Polymethylmethacrylatschlichte zersetzt. Danach werden der Druck und die Temperatur allmählich erhöht. Schließlich wird 30 Minuten bei einem Druck von 10^-3 Torr und einem Preßdruck von 400 kg/mm² auf 900°C erhitzt. Es wird ein faserverstärkter Verbundwerkstoff erhalten. Zum Vergleich wird ein Verbundwerkstoff aus Nickel allein als Matrix-Metall hergestellt.

Diese Verbundwerkstoffe werden auf Biegefestigkeit bei Raumtemperatur untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengefaßt. Aus der Tabelle ist die starke Zunahme der Festigkeit der Verbundwerkstoffe der Erfindung ersichtlich.

Tabelle III

Beispiel 4

Als Verstärkungsmittel werden Aluminiumoxidfasern, Kohlenstoffasern, Siliciumdioxidfasern, Siliciumcarbidfasern bzw. Borfasern verwendet. Die Fasern werden mit einer Beschichtung aus Wismut, Indium, Barium, Strontium, Radium, Kalium, Cäsium oder Rubidium einer Dicke von etwa 50 Å durch Vakuumaufdampfen versehen. Sodann werden die beschichteten Fasern unter Argon als Schutzgas in Längen von 110 mm zerschnitten. Die Fasern werden gebündelt und parallel in ein Gießrohr mit einem Innendurchmesser von 4 mm eingelegt. Das eine Ende des Gießrohres wird in geschmolzenes, 99,99prozentig reines und unter Argon als Schutzgas auf 700°C erhitztes Aluminium eingetaucht. Das andere Ende des Gießrohres wird im Vakuum entgast. Die Oberfläche der Aluminiumschmelze wird mit einem Druck von 50 kg/cm² beaufschlagt. Auf diese Weise wird das Aluminium in die Fasern gedrückt. Sodann wird das Produkt abgekühlt. Es wird ein Verbundwerkstoff mit einem Fasergehalt von 50±1 Volumprozent erhalten.

Die erhaltenen Verbundwerkstoffe werden auf ihre Biegefestigkeit und ihren Biegemodul untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengefaßt. Aus Tabelle IV ist die starke Zunahme der Festigkeit im Vergleich zu den Vergleichsbeispielen von Tabelle I ersichtlich.

Tabelle IV

Beispiel 5

Es werden die in Beispiel 1 aufgeführten Fasern verwendet. Die Fasern werden in eine 2gewichtsprozentige wäßrige Lösung von Bariumchlorid, Cäsiumchlorid oder Wismutnitrat getaucht. Sodann werden sie 3 Stunden in einem Heißlufttrockner bei 130°C getrocknet. Die Faseroberfläche wird mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Beschichtung hat eine Dicke von 0,05 bis 1,0 µm. Die beschichteten Fasern werden in Längen von 110 mm geschnitten, und die erhaltenen Fasern werden gebündelt und parallel in ein Gießrohr mit einem Innendurchmesser von 4 mm eingelegt. Das eine Ende des Gießrohres wird in geschmolzenes Aluminium einer Reinheit von 99,99 Prozent getaucht, das unter Argon als Schutzgas auf 700°C erhitzt wird. Das andere Ende des Gießrohres wird im Vakuum entgast. Die Oberfläche der Aluminiumschmelze wird mit einem Druck von 50 kg/cm² beaufschlagt. Auf diese Weise wird die Aluminiumschmelze in die Faserbündel gedrückt. Das Produkt wird danach abgekühlt. Es wird ein faserverstärkter Verbundwerkstoff erhalten. Der Fasergehalt wird auf 50±1 Volumprozent eingestellt.

An den Verbundwerkstoff wird die Biegefestigkeit und der Biegemodul bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle V zusammengefaßt. Aus der Tabelle ist die erhebliche Zunahme der mechanischen Festigkeit gegenüber den Vergleichsbeispielen von Tabelle I ersichtlich.

Tabelle V

Beispiel 6

Auf die Oberfläche der in Beispiel 1 verwendeten Aluminiumoxidfasern wird eine Beschichtung aus Wismut mit einer Dicke von etwa 1000 Å durch Plasmasprühen aufgebracht. Aus den beschichteten Aluminiumoxidfasern und 99,99prozentig reinem Magnesium, das unter Argon als Schutzgas auf etwa 700°C erhitzt worden ist, werden faserverstärkte Verbundwerkstoffe gemäß Beispiel 1 hergestellt. Aus den gleichen Aluminiumoxidfasern und 99,99prozentig reinem Kupfer, das unter Argon als Schutzgas auf 1100°C erhitzt worden ist, wird in gleicher Weise ein Verbundwerkstoff hergestellt. Die Verbundwerkstoffe werden auf Biegefestigkeit untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle VI zusammengefaßt. In beiden Fällen wird eine höhere Biegefestigkeit erhalten als in den entsprechenden Vergleichsbeispielen von Tabelle III.

Tabelle VI

Beispiel 7

Die in Beispiel 1 eingesetzten Aluminiumoxidfasern werden in eine 2prozentige wäßrige Lösung von Bariumchlorid getaucht und danach getrocknet. Hierauf werden die Aluminiumoxidfasern bei 700°C im Wasserstoffstrom reduziert. An der Oberfläche der Aluminiumoxidfasern scheidet sich Barium ab. Sodann werden die beschichteten Aluminiumoxidfasern gemäß Beispiel 4 mit Aluminium als Matrix-Metall vereinigt. Es wird ein faserverstärkter Verbundwerkstoff erhalten, der bei Raumtemperatur eine Biegefestigkeit von 124 kg/mm² hat. Die starke Zunahme der Biegefestigkeit gegenüber dem Vergleich in Tabelle I ist ersichtlich.

Claims

1. Verbundwerkstoff auf der Basis eines der Metalle Aluminium, Magnesium, Kupfer, Nickel oder Titan oder deren Legierungen als Grundmasse und anorganischen Fasern als Verstärkungsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eines der Elemente Kalium, Rubidium, Cäsium, Strontium, Barium, Wismut oder Indium in elementarer Form oder als anorganische oder organische Verbindung und einer Menge von 0,0005 bis 10 Gew.-% enthält.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Element auf die Oberfläche der anorganischen Fasern aufgebracht ist und diese anorganischen Fasern mit der Grundmasse vereinigt sind.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Elements auf der Oberfläche der anorganischen Fasern eine Dicke von mindestens 2 nm hat.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern Kohlenstoffasern, Kieselsäurefasern, Siliciumcarbidfasern, Borfasern oder Aluminiumoxidfasern sind.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern Aluminiumoxidfasern sind, die durch Vermischen eines Polyaluminoxans mit Grundbausteinen der allgemeinen Formel in der Y mindestens einen organischen Rest, ein Halogenatom oder eine Hydroxylgruppe bedeutet, mit mindestens einer Silicium enthaltenden Verbindung in derartiger Menge, daß der Kieselsäuregehalt der Aluminiumoxidfaser höchstens etwa 28 Prozent beträgt, Verspinnen des erhaltenen Gemisches und Calcinieren der erhaltenen Fasern hergestellt worden sind.

6. Verbundwerkstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an anorganischen Fasern 15 bis 70 Volumprozent beträgt.