DE3617055C2 - Fasermaterial für Verbundmaterialien, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung dieses Fasermaterials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Fasermaterial für Verbundmate­ rialien sowie deren Verwendung.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstel­ lung dieser Produkte.

In der letzten Zeit sind faserverstärkte Metalle (FRM) zur allgemeinen Anwendung als Maschinenteile und Bauelemen­ te gelangt. Unter anderen sind FRM aus einer Aluminium­ legierung als Matrix und durchgehenden Fasern aus Keramik oder Kohlenstoff zur Verstärkung für ihre herausragenden Eigenschaften bekannt. Dieses Material ist leicht, besitzt eine große Steifigkeit und behält bei hohen Temperaturen von beispielsweise 200 bis 400°C eine hohe Festigkeit. FRM wird beispielsweise durch Druckguß hergestellt. Diese Art der Herstellung eignet sich zur Ausbildung von Teilen komplexer Form wie Autoteilen sowie für präzise Maschinen­ teile.

Die Verstärkung für FRM wird gewöhnlich einer Oberflächen­ behandlung unterworfen, da sie schwierig durch das Matrix­ metall zu benetzen ist und insbesondere bei Verwendung einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung mit dem Matrix­ metall reagiert, wenn sie einmal benetzt wurde, und dabei in der Qualität beeinträchtigt wird. Die Oberflächenbehand­ lung wird beispielsweise durch chemische Dampfabscheidung oder Plattierung ausgeführt. Dabei werden die Verstärkungs­ fasern mit Metall oder Keramik in Form eines dünnen gleich­ förmigen Films beschichtet. Diese Verfahren besitzen je­ doch Nachteile. So kann der dünne Film infolge der unter­ schiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Verstärkungsfaser einerseits und Matrix andererseits ab­ pellen. Dies beeinträchtigt die Wirkung der Oberflächen­ behandlung. Wird die Beschichtung dicker gemacht, werden die Verstärkungsfasern steif und spröde, so daß sie leicht beschädigt werden können. Darüber hinaus ist eine komplexe Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung einzelner Fasern erforderlich, was die Kosten in die Höhe treibt.

Andererseits besitzen auch durchgehende Fasern als Ver­ stärkung einen Nachteil. Wenn sie zur Herstellung von FRM mittels Druckguß eingesetzt werden, sind die Fasern in dem Produkt ungleichförmig verteilt. Dies macht es schwierig, ein bestimmtes Faservolumenverhältnis (Vf) in dem FRM einzustellen, und zwar insbesondere, wenn die­ ses Verhältnis klein ist. Allein mit durchgehenden Fasern verstärkte FRM sind bezüglich ihrer Festigkeit stark richtungsabhängig. So besitzt beispielsweise durch Druck­ guß aus einer Aluminiumlegierung hergestelltes und mit durchgehenden Kohlenstoffasern verstärktes FRM eine Festig­ keit von 1300 N/mm² (130 kg/mm²) in einer Richtung parallel zur Faserachse, wohingegen die Festigkeit senkrecht zur Faserachse nur etwa einige 10 N/mm² (einige kg/mm²) be­ trägt. Allein unter Verwendung von kurzen Fasern herge­ stelltes FRM ist dagegen isotrop, hat aber im allgemeinen eine geringe Festigkeit.

Die kombinierte Verwendung durchgehender oder langer Fa­ sern und kurzer Fasern oder Whisker als Verstärkungsfa­ sern für Verbundmaterialien ist auch schon vorgeschlagen worden. In einem Fall werden lange Fasern zur Bildung des Innenteils von FRM und kurze Fasern zur Bildung des Außen­ teils von FRM verwendet. In einem anderen Fall wird eine Kunststoffimprägnierung für FRM durch Druckformen in An­ wesenheit vermischter langer und kurzer Fasern hergestellt. Im ersten Fall ist ein komplexes Verfahren erforderlich, und das erhaltene FRM besitzt keine zufriedenstellende Festigkeit. Im zweiten Fall ist es schwierig, die langen und die kurzen Fasern gleichförmig zu vermischen (es ist möglich, kurze Fasern an der Oberfläche eines langen Faser­ bündels durch Bürsten oder auf ähnliche Weise anzubringen; es ist dagegen nahezu unmöglich, kurze Fasern gleichförmig an der Oberfläche einzelner langer Fasern zu befestigen).

Durchgehende Fasern oder Faserfäden als Verstärkungsmittel haben den Nachteil, daß sie nicht gleichförmig in der Matrix verteilt sind, wenn das FRM durch Druckguß hergestellt wird. Die Menge durchgehender Fasern für die Verstärkung beträgt 40 bis 60%. Ungleichförmig verteilte durchgehende Fasern einer solch großen Menge kommen jedoch in der Matrix mit­ einander in Kontakt, was zu einer Verringerung der an sich beabsichtigten Festigkeit führt. Die Kompatibilität der Fasern mit einer Matrix hängt wesentlich von der Zusammen­ setzung der Matrixlegierung ab. Sie muß daher nach Maßgabe der Eigenschaften der zu verwendenden durchgehenden Fasern (Faserfäden) sorgfältig ausgewählt werden. Wenn beispiels­ weise in einer Aluminiumlegierungsmatrix, die Magnesium, Silicium, Kupfer etc. enthält, durchgehende Siliciumcarbid­ fasern eingebettet werden, dann beeinträchtigen das Magne­ sium und das Silicium die Fasern, was zur Ausbildung spröder eutektischer Siliciumphasen führt, während das Kupfer ein Wachstum der eutektischen Phasen im FRM verursacht. Diese Tendenz ist besonders stark, wenn das FRM eine große Faser­ menge enthält. Wenn die Verstärkung aus Aluminiumfasern besteht, beeinträchtigt das Silicium in der Legierung die Fasern, und Magnesium und Kupfer bewirken eine Aufnahme der eutektischen Phasen im FRM. Wenn es sich bei der Verstär­ kung um Kohlenstoffasern handelt, beeinträchtigt Magnesium die Fasern bei hohen Temperaturen (obwohl es die Festig­ keit in Querrichtung erhöht), während Kupfer und Silicium die eutektischen Phasen im FRM gröber machen und die Fe­ stigkeit in Querrichtung verringern. Aus diesen Gründen geht man davon aus, daß reines Aluminium die geeignete Matrix ist, die weder Ausfällungen bildet noch die Ver­ stärkungsfasern beeinträchtigt. Ein auf einer Matrix aus reinem Aluminium basierendes FRL besitzt eine geringe Festigkeit in Querrichtung (die Richtung senkrecht zur Längs­ richtung der durchgehenden Fasern), da die Matrix selbst eine geringe Festigkeit aufweist.

Es ist ferner durch den Derwent Auszug 58-149937/25 ein faserverstärktes Verbundmaterial bekannt geworden, bei dem in einem Gemenge aus kurzen Fasern ein festes Schmiermittel, wie Graphit, dispergiert ist, wodurch insbesondere Hitzebeständigkeit und Verschleißwiderstand verbessert werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Verstärkungsfasermaterial für Verbundmaterialien, das durchgehende Filamentfasern enthält, die Anisotropie zu verringern, sowie ein zur Herstellung eines solchen Fasermaterials geeignetes Verfahren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Fasermaterial gemäß Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Patentanspruch 2 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem die Verwendung eines solchen Fasermaterials.

Das Verstärkungsfasermaterial besitzt eine verbesserte Be­ netzbarkeit mit dem Matrixmetall, wenn es für ein FRM ver­ wendet wird. Das Verstärkungsfasermaterial kann bei geeig­ net eingestelltem Faservolumenverhältnis gleichförmig im Verbundmaterial dispergiert werden. Das Verstärkungsfaser­ material kann sich aus unterschiedlichen Arten durchgehen­ der Faserfäden zusammensetzen, wobei das Verstärkungsfaser­ material die mechanischen Eigenschaften des Verbundmate­ rials dadurch verbessert, daß die thermische Spannung zwi­ schen den durchgehenden Faserfäden und der Matrix reduziert wird.

Die Verwendung des Fasermaterials in einem faserverstärkten Metall führt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften, einer geringen Anisotropie und Eigenspannung und einer guten Abriebfestigkeit des Verbundmaterials. Das faserverstärkte Metall wird dadurch hergestellt, daß kontinuierliche Filament­ fasern (Faserfäden) mit einem vorgegebenen Faservolumenverhältnis gleichförmig in einem Matrixmetall dispergiert werden. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften erhält man durch Kombinieren kontinuierlicher Filamentfasern mit kurzen Fasern, Whiskern oder Pulvern verschiedener Eigenschaften.

Wie erwähnt, wenden die durchgehenden Filamentfasern aus den erwähnten Keramiken, wärmebeständigen, nicht-metalli­ schen Substanzen wie Kohle und Bor oder wärmebeständigen Metallen, Legierungen oder intermetallischen Verbindungen (z. B. Molybdän, Wolfram, Stahl, rostfreier Stahl, CuZn und FeAl) hergestellt. Es können auch verschiedene Arten durchgehender Filamentfasern in Kombination verwendet wer­ den. Die Eigenschaften der Fasern sollten nach Maßgabe des Verwendungszwecks des faserverstärkten Metalls ausgewählt werden.

Die Menge der kurzen Fasern, Whisker oder Pulver, die auf die Oberfläche einzelner durchgehender Filamentfasern aufgebracht werden, hängt von ihren Eigenschaften und dem Einsatzgebiet des faserverstärkten Metalls ab. Wenn das faserverstärkte Metall als Maschinenelement oder Bauelement eingesetzt wird, sollte das Volumenverhältnis von durch­ gehenden Filamentfasern zu kurzen Fasern (oder Whiskern oder Pulvern) 0,5 bis 500% betragen.

Das für das faserverstärkte Metall dieser Erfindung zu ver­ wendende Matrixmetall ist Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung daraus. Das Verhältnis von Matrixmetall zu Verstärkungsfasermetall kann abhängig von deren Art und der Anwendung des FRM variieren.

Das für das FRM der Erfindung zu verwendende Fasermaterial kann auf irgendeine der bekannten Methoden wie galvanische Metallabscheidung, Wirbelschichtverfahren, Sprühen oder Eintauchen in eine Suspension hergestellt werden. Das letzte Verfahren ist wegen seiner Einfachheit und problem­ losen Einsetzbarkeit vorzuziehen. Das Eintauchen in eine Suspension erfolgt dadurch, daß durchgehende Filamentfa­ sern oder ein Bündel solcher Fasern von einer Spule abge­ wickelt und durch die Suspension geleitet werden, um dann wieder auf eine Spule aufgewickelt zu werden. Die Suspen­ sion enthält wenigstens eine Art kurzer Fasern, Whisker oder Pulver, die sich beim Durchlauf der Filamentfasern an der Oberfläche einzelner durchgehender Filamentfasern anheften.

Wenn ein Bündel durchgehender (endloser) Filamentfasern verwendet wird, dann unterliegt die Anzahl der einzelnen Fasern keiner speziellen Beschränkung. Eine kleine Anzahl ist jedoch günstig, da die einzelnen Fasern dann gleich­ förmig der Suspension ausgesetzt werden. Im Fall eines Bündels einer großen Anzahl durchgehender Filamentfasern ist es günstig, die Suspension einer Ultraschallschwingung auszusetzen, so daß die einzelnen Filamentfasern gleich­ förmig mit der Suspension in Berührung kommen. Die Ultra­ schallschwingung kann mittels eines Ultraschallgenerators erzeugt werden, der an der Außenseite eines die Suspension enthaltenden Behälters angebracht wird, oder mit Hilfe einer geeigneten Anzahl von Ultraschallschwingern (z. B. Keramikschwingern), die in der Suspension angeordnet sind. Die Ultraschallschwingung kann kontinuierlich oder inter­ mittierend erzeugt werden. Die Intensität, Frequenz und Dauer der Schwingung hängt von der Art der kurzen Fasern, Whisker oder Puder, der Konzentration der Suspension und der Eintauchdauer ab. Die bevorzugte Frequenz beträgt 10 bis 2000 kHz.

Das Suspensionsmedium für die kurzen Fasern, Whisker oder Pulver kann Wasser sein. Vorzugsweise sollte es sich jedoch um ein organisches Lösungsmittel wie Äthylalkohol, Methyl­ alkohol oder Aceton handeln. Äthylalkohol ist besonders ge­ eignet, da es an der Oberfläche der durchgehenden Fila­ mentfasern möglicherweise vorhandenen Leim löst und dadurch das leichte Anhaften der kurzen Fasern erlaubt. Außerdem trägt Äthylalkohol wegen seiner höheren Flüchtigkeit als Wasser zur Erhöhung der Produktivität bei. Die erwähnten organischen Lösungsmittel können auch zusammen mit Wasser verwendet werden.

Die Konzentration der Suspension unterliegt keinen bestimm­ ten Grenzen. Ist sie jedoch zu niedrig, wird eine gleich­ förmige Ablagerung auf den durchgehenden Filamentfasern nicht erreicht. Ist sie dagegen zu hoch, tritt eine über­ mäßige Ablagerung auf. Wenn Siliciumcarbid-Whisker auf einem Bündel von 6000 durchgehenden Filamentfasern abge­ schieden werden sollen, beträgt die bevorzugte Konzentra­ tion der Whisker in der Suspension 0,5 g/l bis 30 g/l.

Wenn ein Bündel einer großen Anzahl durchgehender Filament­ fasern in die Suspension getaucht werden soll, ist es günstig, das Bündel mit Hilfe eines Gebläses zu öffnen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gebläses sollte nach Maßgabe der Anzahl der Filamentfasern und abhängig davon, ob eine Ultraschallschwingung aufgebracht wird oder nicht, geeignet eingestellt werden. Das Gebläse ist nicht unbe­ dingt notwendig, wenn die Anzahl der Filamentfasern klein ist oder die Suspension einer ausreichenden Ultraschall­ schwingung ausgesetzt wird.

Gewöhnlich wird ein Suspensionsbad verwendet. Wenn jedoch mehr als eine Art kurzer Fasern, Whisker und Pulver ver­ wendet wird, dann können auch mehrere Suspensionsbäder vorgesehen werden. Die Eintauchzeit kann unter Verwendung von Rollen auf übliche Weise eingestellt werden. Nach dem Eintauchen kann, falls nötig, das Bündel durchgehender Filamentfasern mit Hilfe eines Trockenofens, eines Infra­ rottrockners oder eines Heißlufttrockners getrocknet wer­ den, bevor sie auf eine Spule aufgewickelt werden.

Das in beschriebener Weise hergestellte Fasermaterial wird dann in geeignete Längen zerschnitten oder entsprechend einem gewünschten FRM Produkt vorgeformt. Die geschnittene Faser oder Vorform wird in dem Formhohlraum angeordnet. Fasermaterialien unterschiedlicher Art können auch in Kom­ bination miteinander verwendet werden. Bei auf eine vorge­ schriebene Temperatur von z. B. 700 bis 800°C erwärmter Faser oder Vorform wird das auf nahezu dieselbe Temperatur gebrachte geschmolzene Metall der Matrix in den Formhohl­ raum gegossen. Das geschmolzene Metall wird dann unter einem vorgeschriebenen Druck von beispielsweise 40 bis 90 MPa (400 bis 900 kg/cm²) auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach Festwerden kann der Gußkörper einer Oberflächenbehand­ lung und maschinellen Bearbeitung zugeführt werden.

Die durchgehenden Filamentfasern, kurzen Fasern, Whisker oder Pulver sowie die Metallmatrix, die für die vorlie­ gende Erfindung verwendet werden, sind sämtlich kommerziell erhältlich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine optische Mikrophotographie, die den Auf­ bau des faserverstärkten Metalls gemäß der Er­ findung zeigt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung des faserverstärkten Metalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 3 bis 6 elektronenoptische Mikroaufnahmen, die jeweils die Form des erfindungsgemäßen Fasermate­ rials zeigen,

Fig. 7 in einer graphischen Darstellung den Zusammenhang zwischen der Art der Behand­ lung eines Kohlenstoffaserbündels und der Menge von Whiskern oder Pulver, die an dem Kohlenstoffbündel haften,

Fig. 8 schematisch eine Darstellung des Verfah­ rens zur Herstellung des faserverstärkten Metalls gemäß der Erfindung aus dem erfin­ dungsgemäßen Fasermaterial, und

Fig. 9 in einer graphischen Darstellung den Zu­ sammenhang zwischen der Art der Ablagerung von Whiskern auf durchgehenden Filament­ fasern und der Querbiegefestigkeit in Rich­ tung senkrecht zur Faserachse des resultie­ renden FRM, sowie die Querbiegefestigkeit in Richtung der Faserachse von herkömm­ lichem FRM.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen FRM. Die Bezugszahlen 13, 14 und 15 bezeichnen Whisker (Einkristall­ fäden) oder kurze Fasern, durchgehende Filamentfasern bzw. das Matrixmetall. Es sei angemerkt, daß Whisker 13 im Zwi­ schenraum zwischen durchgehenden Fasern liegen und daß das Matrixmetall 15 die verbleibenden Hohlräume füllt. Whisker 113 können gleichförmig im Raum verteilt sein oder um durch­ gehende Filamentfasern 14 herum konzentriert sein, falls eine geeignete Auswahl nach Art und Eigenschaften der Whisker 13, den Bedingungen der Ablagerung und den Bedin­ gungen der Anordnung der whiskerbehafteten durchgehenden Filamentfasern 14 getroffen wird. Das Matrixmetall 15 wird durch die Whisker 13 verstärkt. Wenn eine zusätzliche Verstärkung erforderlich ist, können geeignete Elemente in das Matrixmetall eingefügt werden. Die Zusammensetzung der Matrixlegierung unterliegt keinen speziellen Grenzen. Die Whisker 13, die in dem Raum zwischen den durchgehenden Filamentfasern 14 angeordnet sind, verhindern, daß letztere miteinander in Berührung kommen. Die Whisker 13 haben aber zusätzliche Funktionen. Durch Änderung der Menge von Whis­ kern 13 kann das Volumenverhältnis der durchgehenden Fila­ mentfasern 14 gesteuert werden. Die Whisker 13 führen zu einer Querverbindung der durchgehenden Filamentfasern 14 und erhöhen damit die Festigkeit des resultierenden FRM in der Richtung senkrecht zur Längsrichtung der durchgehenden Filamentfasern. Dies verringert die Anisotropie des FRM. Falls die Whisker 13 einen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten besitzen, der gleich ist oder kleiner ist als der der durchgehenden Filamentfasern 14, wird die thermische Eigenspannung im FRM reduziert. Wenn die Whisker 13 eine gute Abriebbeständigkeit aufweisen, wird auch die Abrieb­ beständigkeit des resultierenden FRM besser.

Beispiel 1

Erfindungsgemäßes Fasermaterial wurde unter Verwendung der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung hergestellt. Das Bad 1 enthielt eine Suspension aus 1000 cm³ Äthylalkohol und 5 g Siliciumcarbidwhiskern (mit einem mittleren Durchmes­ ser von etwa 0,2 µm und einer mittleren Länge von etwa 100 µm). Die Whisker wurden mit Hilfe einer von einem Ultra­ schallgenerator 2 erzeugten Ultraschallschwingung fein verteilt. Ein Kohlenstoffaserbündel 4 (von der Firma Toray Industries, Inc. unter der Bezeichnung M40 vertrie­ ben, es enthält 6000 Fäden von je 7 bis 8 µm Durchmesser, geleimt) wurde von einer Spule 5 kommend mit einer solchen Geschwindigkeit durch die Suspension 3 geleitet, daß es 15 Sekunden in die Suspension eingetaucht war. Die Ge­ schwindigkeit wurde mit Hilfe der Rollen 6 und 7 auf geeig­ nete Weise geregelt. Nach dem Eintauchen wurde das Kohlen­ stoffaserbündel mittels der Rollen 8 und 9 ausgepreßt und schließlich auf eine Spule 10 aufgewickelt und dann bei Raumtemperatur luftgetrocknet. Ein Gebläse 11 und ein Trockenofen 12 wurden bedarfsweise benutzt.

Nach dem Eintauchen nahm das schwarze Kohlenstoffaserbündel eine grünlich-braune Färbung an. Betrachtung unter einem Elektronenmikroskop ergab, daß die Whisker 13 an den einzel­ nen durchgehenden Filamentfasern 14 anhafteten, wie dies aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht. Ein Wägevorgang nach der Behandlung ergab, daß 0,15 g der Whisker an jeweils 10 m des Kohlenstoffaserbündels anhafteten.

Beispiel 2

Die Prozedur des Beispiels 1 wurde wiederholt, wobei je­ doch anstelle der Siliciumcarbidwhisker Stickstoffsilicid­ whisker mit einem mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und einer mittleren Länge von etwa 200 µm verwendet wurden. Es ergab sich, daß 0,2 g der Whisker an jeweils 10 m des Kohlenstoffaserbündels hafteten.

Beispiel 3

Die Prozedur des Beispiels 1 wurde mit folgenden Änderungen wiederholt. Die Menge der Siliciumcarbidwhisker wurde auf 25 g geändert. Das Kohlenstoffaserbündel wurde durch ein Aluminiumoxidfaserbündel (das von der Firma Sumitomo Chemi­ cal Company Ltd. hergestellt wird) ersetzt. Die Eintauch­ dauer betrug 10 Sekunden bei einer Ultraschallschwingung von 28 kHz.

Nach dem Eintauchen nahm das weiße Aluminiumoxidfaserbün­ del eine grünlich-braune Färbung an. Eine Betrachtung un­ ter dem Elektronenmikroskop ergab, daß die Whisker 13 an den einzelnen durchgehenden Filamentfasern 14 anhafteten, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Ein Wägevorgang nach der Be­ handlung ergab, daß 0,1 g der Whisker an jeweils 10 m des Aluminiumoxidfaserbündels anhafteten.

Beispiel 4

Mit folgenden Änderungen wurde die Prozedur von Beispiel 1 wiederholt. Die Menge der Siliciumcarbidwhisker wurde auf 25 g geändert. Das Kohlenstoffaserbündel mit der Bezeich­ nung M40, geleimt, wurde durch ein Kohlenstoffaserbündel M40, ungeleimt (Hersteller Toray Industries, Inc. mit 6000 Fasern zu je 7 bis 8 µm Durchmesser), ersetzt. Die Eintauch­ dauer betrug 8 Sekunden bei einer Ultraschallschwingung von 45 kHz.

Nach dem Eintauchen nahm das schwarze Kohlenstoffaserbündel eine grünlich-braune Färbung an. Ein Wägevorgang nach der Behandlung erwies, daß 0,25 g der Whisker an je 10 m des Kohlenstoffaserbündels hafteten.

Beispiel 5

Die Prozedur von Beispiel 1 wurde unter nachfolgenden Ände­ rungen wiederholt. 25 g Stickstoffsilicidwhisker wurden anstelle der Siliciumcarbidwhisker verwendet. Anstelle des Kohlenstoffaserbündels wurde ein Siliciumcarbidfaserbündel (ein unter der Bezeichnung Nicalon von der Firma Nippon Carbon Company Ltd. vertriebenes Produkt) ersetzt. Die Ein­ tauchdauer betrug 8 Sekunden bei einer Ultraschallschwin­ gung von 28 kHz.

Die Wägung nach der Behandlung ergab, daß 0,42 g der Whisker an je 10 m des Siliciumcarbidfaserbündels hafte­ ten.

Beispiel 6

Die Prozedur von Beispiel 1 wurde mit folgenden Änderungen wiederholt. 20g Betasiliciumcarbidpulver (0,23 µm mittlerer Durchmesser) wurden in 1000 cm³ Äthylalkohol fein verteilt. Eine Betrachtung unter einem Elektronenmikroskop ergab, daß das Siliciumcarbidpulver 16 auf den Fasern oder im Zwischenraum zwischen den Fasern vorhanden war, wie in Fig. 6 gezeigt. Die Wägung nach dem Trocknen ergab, daß 0,15 g des Siliciumcarbidpulvers an je 10 m des Kohlen­ stoffaserbündels hafteten.

Beispiel 7

Die Bedingungen des Beispiels 6 wurden mit Ausnahme dessen wiederholt, daß das Betasiliciumcarbidpulver durch Alpha­ aluminiumoxidpulver (mittlerer Durchmesser von 0,03 µm) ersetzt wurde und die Eintauchdauer 10 Sekunden betrug. Die Wägung nach dem Trocknen ergab, daß 0,1 g des Aluminium­ oxidpulvers an je 10 m des Kohlenstoffaserbündels hafteten.

Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Konzentration von Whiskern oder Pulver in der Suspension und der Menge von Whiskern oder Pulver, die an jeweils 10 m des Kohlenstoff­ faserbündels (6000 Fasern pro Bündel) hafteten. Das Suspensionsmedium war Wasser oder Äthylalkohol und Ultra­ schallschwingungen wurden eingesetzt oder nicht eingesetzt. Der Einfluß der Ultraschallschwingungen ist deutlich, ins­ besondere in dem Fall, wo Äthanol als Suspensionsmedium verwendet wurde. Diese Ergebnisse erweisen, daß die Menge der an den Kohlenstoffasern festhaftenden Whisker oder des Pulvers durch geeignete Wahl der Bedingungen nach Be­ darf eingestellt werden kann.

Beispiel 8

Ein Muster eines faserverstärkten Metalls wurde auf fol­ gende Weise hergestellt. Das nach Beispiel 1 erzeugte Fasermaterial wurde in eine Länge von 150 mm geschnitten. 100 geschnittene Stücke 17 wurden gebündelt und das Bündel in ein Stahlrohr 18 eingeführt, wie es in Fig. 8(A) ge­ zeigt ist. Das Stahlrohr 18 wurde gemäß Darstellung in Fig. 8(B) in Stickstoffgas auf 720°C vorgewärmt. Das Stahlrohr 18 wurde dann gemäß Darstellung in Fig. 8(C) in eine Form 20 gesetzt. Geschmolzenes Metall 21 (reines Magnesium mit 720°C) wurde in die Form gegossen und unter Verwendung eines Stempels 22 60 Sekunden lang einem Druck von 75 MPa (750 kg/cm²) ausgesetzt.

Das resultierende FRM hatte im Schnitt senkrecht zur Achse der durchgehenden Filamentfasern den in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Es gab eine große Anzahl von Whiskern im Raum zwi­ schen den Fasern, und nur wenig Fasern waren miteinander in Kontakt.

Beispiel 9

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen FRM, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Fasermaterials her­ gestellt wurde, besaß den aus der optischen Mikrophotogra­ phie von Fig. 1 erkennbaren Aufbau. Es sei angemerkt, daß die durchgehenden Filamentfasern 14 wegen der Whisker 13, die an den Fasern haften und diese voneinander trennen, gleichmäßig im Matrixmetall 15 verteilt sind. Das Kohlen­ stoffaser/Aluminiumverbundmaterial besitzt eine Druckscher­ festigkeit von 100 N/mm² (10 kg/mm²), wenn für das Faserma­ terial Siliciumcarbidwhisker verwendet werden, während die­ ser Wert 20 N/mm² (2 kg/mm²) beträgt, wenn die Siliciumcar­ bidwhisker nicht verwendet werden. Im ersteren Fall konnte das Faservolumenverhältnis im Bereich von 10 bis 70% ein­ gestellt werden, während im letzteren Fall dies nur in dem engen Bereich von 60 bis 70% möglich war.

Messungen der Biegefestigkeit: Verschiedene Arten von FRM- Mustern gemäß der Erfindung wurden nach Beispiel 1 herge­ stellt, wobei jedoch die Bedingung der Ablagerung der Whis­ ker jeweils geändert wurde. Diese Muster wurden bezüglich der Biegefestigkeit in Richtung senkrecht zur Achse der durchgehenden Filamentfasern untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. Es sei angemerkt, daß die Biege­ festigkeit des erfindungsgemäßen FRMs 2- bis 5-mal größer ist als die eines herkömmlichen FRMs. Es ergibt sich ein deut­ licher Effekt aus der Verwendung durchgehender Filament­ fasern in Kombination mit Whiskern zur Verstärkung. Ein weiterer deutlicher Effekt ist mit dem Einsatz von Ultra­ schallschwingungen bei Verwendung von Äthylalkohol als Suspensionsmedium verbunden. Diese Ergebnisse zeigen, daß eine hohe Biegefestigkeit erhalten werden kann, wenn für die Abscheidung der Whisker geeignete Bedingungen ausge­ wählt werden.

Wie voranstehend erwähnt, besitzt die Erfindung die fol­ genden Vorteile. Das Fasermaterial für Verbundmaterialien setzt sich aus Bündeln durchgehender Filamentfasern zusam­ men, wobei an der Oberfläche der einzelnen durchgehenden Fasern kurze Fasern, Whisker oder Pulver anhaften. Wegen dieses Aufbaus sind die durchgehenden Filamentfasern gleichförmig im Verbundmaterial verteilt. Dies erlaubt es, das Faservolumenverhältnis über einen weiten Bereich zu steuern. Außerdem kann eine Vielfalt von Forderungen an die Eigenschaften eines FRM (faserverstärkten Metalls) da­ durch befriedigt werden, daß die Kombination von durchge­ henden Filamentfasern und kurzen Fasern (oder Whiskern oder Pulver) in verschiedenster Weise verändert wird. Die durchgehenden Filamentfasern, die gleichförmig im FRM ver­ teilt sind, tragen zu einem gleichförmigen Aufbau des FRM bei und verbessern damit dessen mechanische Eigenschaf­ ten wie die Druckscherfestigkeit.

Erfindungsgemäß kann das Fasermaterial für Verbundmateria­ lien auf einfache und effiziente Weise dadurch hergestellt werden, daß durchgehende Filamentfasern oder ein Bündel davon in eine Suspension eingetaucht wird, die kurze Fa­ sern, Whisker oder Pulver enthält, das auf der Oberfläche der durchgehenden Filamentfasern anhaften soll. Das Ein­ tauchen wird durch Abwickeln der durchgehenden Filament­ fasern von einer Spule, Durchlaufen derselben durch die Suspension und Wiederaufwickeln auf eine Spule ausgeführt. Die Suspension kann einer Ultraschallschwingung ausgesetzt werden, und ein organisches Lösungsmittel kann als Suspen­ sionsmedium dienen. Der Einsatz der Ultraschallschwingung und eines organischen Lösungsmittels erlaubt die Abschei­ dungsmenge nach Bedarf zu steuern. Dies ermöglicht die Erzeugung einer Vielfalt von Fasermaterialien für Verbund­ materialien mit derselben Ausrüstung.

Das faserverstärkte Metall setzt sich aus einem Matrixmetall und durchgehenden Filamentfasern zusammen, wobei an der Oberfläche der einzelnen durchge­ henden Filamentfasern wenigstens eine Art kurzer Fasern, Whisker oder Pulver anhaften. Wegen dieses Aufbaus sind die durchgehenden Filamentfasern gleichförmig in Matrix­ metall verteilt, so daß das Faservolumen über einen weiten Bereich eingestellt werden kann. Da die drei Komponenten auf verschiedenste Weise kombiniert werden können, können Anforderungen an das faserverstärkte Metall in einem weiten Bereich befriedigt werden. Die gleichförmig im FRM verteilten durchgehenden Filamentfasern tragen zum gleichförmigen Aufbau des FRM bei und verbessern damit dessen mechanische Eigenschaften wie die Druckscherfestig­ keit, insbesondere die Festigkeit in Richtung senkrecht zur Achse der durchgehenden Filamentfasern. Dies verringert die Anisotropie des FRM.

Das faserverstärkte Metall kann auf einfache und effiziente Weise dadurch hergestellt werden, daß geschmolzenes Metall in einen Formhohlraum gegossen wird, in den vorher das obenerwähnte Fasermetall oder eine daraus gebildete Vorform eingesetzt wurde. Da das Faser­ material, wie oben erwähnt, in verschiedenen Arten zur Verfügung steht, ist es möglich, faserverstärkte Metalle in verschiedenen Formen und mit verschiedenen Eigenschaf­ ten zu erzeugen.

Claims (12)

1. Fasermaterial für Verbundmaterialien, umfassend durchgehende Filamentfa­ sern hergestellt aus wenigstens einer Art von wärmebeständigen Substanzen wobei die wärmebestandigen Substanzen ausgewählt sind aus der Gruppe Kohlenstoff, Metalle, intermetallische Verbindungen und Keramik aus der Gruppe Siliciumcarbid, Stickstoff­ silicid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid, Zirkonoxid, Berylliumoxid, Borcarbid und Titancarbid, und an der Oberfläche einzelner durchgehender Fasern anhaftende kurze Fasern, Whisker oder Pulver, hergestellt aus wenigstens einer Art wärmebeständiger Substanzen, wobei die wärmebeständigen Substanzen ausgewählt sind aus der Gruppe Metalle, intermetallische Verbindungen und Keramik aus der Gruppe Siliciumcarbid, Stickstoffsilicid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Silicium­ dioxid, Zirkonoxid, Berylliumoxid, Borcarbid und Titancarbid.

2. Verfahren zur Herstellung eines Fasermaterials für Verbundmaterialien nach Anspruch 1, bei dem durchgehende Fasern oder ein Bündel durchgehender Fasern aus wenigstens einer Art von wärmebeständigen Substanzen ausgewählt aus der Gruppe Koh­ lenstoff, Metalle, intermetallische Verbindungen und Keramik aus der Gruppe Siliciumcar­ bid, Stickstoffsilicid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Siliciumdioxid, Zirkonoxid, Berylliumoxid, Borcarbid und Titantcarbid eingetaucht werden in ein Lösungs­ mittel, in dem kurze Fasern, Whisker oder Pulver aus wenigstens einer Art von wärmebe­ ständigen Substanzen suspendiert sind, wobei die wärmebeständigen Substanzen ausgewählt sind aus der Gruppe Metalle, intermetallische Verbindungen und Keramik aus der Gruppe Siliciumcarbid, Stickstoffsilicid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid-Silicium­ dioxid, Zirkonoxid, Berylliumoxid, Borcarbid und Titancarbid, wodurch die kurzen Fasern, Whisker oder Pulver an der Oberfläche einzelner durchgehender Fasern anhaften.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsflüssigkeit einer Ultraschallschwingung ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallschwingung eine Frequenz von 10 bis 2000 kHz hat.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmedium ein organisches Lösungsmittel ist, und daß die Behandlungsflüssigkeit einer Ultraschallschwingung ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Suspensionsmedium Äthylalkohol ist.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel durchgehender Filamentfasern vor dem Eintauchen in die Behandlungsflüssigkeit mittels eines Gebläses gelockert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Whisker oder des Pulvers 0,5 bis 30 g/Liter ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die durchgehenden Fasern nach dem Anhaften der kurzen Fasern, Whisker oder des Pulvers an der Oberfläche der einzelnen durchgehenden Filamentfasern parallel ausgerichtet werden.

10. Verwendung von Fasermaterial nach Anspruch 1 bis 9 in faserverstärktem Metall umfassend ein Matrixmetall.

11. Verwendung von Fasermaterial nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist.

12. Verwendung von Fasermaterial nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von kurzen Fasern, Whiskern oder Pulver zu durchgehenden Filamentfasern 0,5 bis 500% beträgt.