DE3686209T2

DE3686209T2 - Faserverstaerkte verbundwerkstoffe mit metallischer matrix.

Info

Publication number: DE3686209T2
Application number: DE8686304478T
Authority: DE
Inventors: John Dinwoodie; Martyn Hugh Stacey; Michael David Taylor
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Saffil Ltd
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2006-06-12
Also published as: GB8614224D0; CN86104818A; KR870000117A; AU5882086A; EP0206647A3; EP0206647A2; AU592094B2; NO862483L; NO862483D0; DK291486A; DK291486D0; NO168059C; US5002836A; JPS61295345A; CA1302738C; DE3686209D1; EP0206647B1; NO168059B; NZ216581A

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verstärkung von Metallen mit anorganischen Fasern und insbesondere auf faserverstärkte Metallmatrix- Verbundwerkstoffe, die anorganische Oxidfasern, besonders Aluminiumoxidfasern, umfassen, die als Verstärkung in einer Metallmatrix eingebettet sind. Die Erfindung schließt aus anorganischen Oxidfasern hergestellte Vorformlinge mit ein, die sich für eine Einarbeitung in eine Metallmatrix, zu deren Verstärkung, eignen, sowie Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen und Vorformlingen.
Es sind Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (nachstehend als MMCs abgekürzt) bekannt, die anorganische Oxidfasern, wie polykristalline Aluminiumoxidfasern in bestimmten Formen umfassen, die zur Verstärkung in einer Matrix eingebettet sind, die ein Metall, wie etwa Aluminium oder Magnesium, oder eine Legierung, die Aluminium oder Magnesium als Hauptkomponente enthält, umfaßt. Eine üblicherweise in solchen MMCs verwendete Faser ist eine Aluminiumoxidfaser in Form kleiner (d. h. bis zu 5 mm) Fasern mit geringem Durchmesser (d. h. einem mittleren Durchmeser von 3 Mikrometer, die mindestens in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Dicke des Verbundwerkstoffes zufällig orientiert sind. Es wurde damit begonnen MMCs von diesem Typ, die Aluminiumoxidfasern in Legierungen enthalten, in der Industrie in einer Reihe von Anwendungen einzusetzen, besonders in Kolben für Verbrennungsmotoren, wobei die Bereiche des Ringsteges und/oder Bereiche des Verteilerrings mit der Aluminiumoxidfaser verstärkt werden.
MMCs, die ausgerichtete, endlose aluminiumoxidhaltige Fasern enthalten, wurden ebenfalls für die Verwendung in Anwendungen, in denen eine eindirektionale Festigkeit gefordert wird, zum Beispiel bei der Verstärkung von Verbindungsstangen für Verbrennungsmotoren, vorgeschlagen. In den MMCs dieses Typs weisen die Fasern einen relativ großen Durchmesser auf, zum Beispiel einen Durchmesser von mindestens 8 und üblicherweise mindestens 10 Mikrometern, und umfassen einen großen Anteil, zum Beispiel von 60 bis zu 100%, an Alpha-Aluminiumoxid. Solche Fasern zeigen eine große Festigkeit, aber eine schlechte Biegsamkeit.
US-3.218.697 beschreibt die Verstärkung von Metallen mit lockeren, kurzen Fasern, die eine Länge von bis zu 1/2 inch (ungefähr 12,5 mm) aufweisen.
GB-2.080.865 beschreibt ebenfalls faserverstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die eine Metall- oder Legierungsmatrix und ein anorganisches faserverstärkendes Material umfassen.
Bislang wurden noch keine ausgerichteten, mit einem geringen Durchmesser ausgestatteten (typischerweise unterhalb von 10 Mikrometern und bevorzugt unterhalb von 5 Mikrometern im mittleren Durchmesser), nominell endlosen (typischerweise mit einer Länge von größer als 0,5 Meter und bevorzugt einige Meter) Fasern, und keine MMCs, die sie enthalten, produziert. Die Erfindung bezieht sich auf MMCs und Vorformlinge für MMCs, die ausgerichtete, nominell endlose Fasern mit geringem Durchmesser enthalten.
Erfindungsgemäß wird ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff zur Verfügung gestellt, der ein Metallmatrixmaterial umfaßt, in dem ein faseriges Produkt eingebettet ist, wobei das faserige Produkt eine Vielzahl von im wesentlichen ausgerichteten und nominell endlosen anorganischen Oxidfasern mit einem mittleren Durchmesser von unter 10 Mikrometern und bevorzugt von unter 5 Mikrometern umfaßt, wobei ein bestimmtes Ausmaß an Nicht-Ausrichtung einiger der Fasern zu einer Faserverschlingung führt, die dem Produkt seitliche Kohäsion verleiht.
Erfindungsgemäß wird auch ein Vorformling zur Verfügung gestellt, der sich für die Einarbeitung in ein Metallmatrixmaterial eignet, um einen Metallmatrix- Verbundwerkstoff, wie im unmittelbar vorangehenden Absatz beschrieben, herzustellen, und der ein faseriges, mit einem Bindemittel zusammengebundenes Produkt umfaßt, wobei das faserige Produkt eine Vielzahl von im wesentlichen ausgerichteten und nominell endlosen anorganischen Oxidfasern mit einem mittleren Durchmesser von kleiner als 10 Mikrometer umfaßt, worin ein bestimmtes Ausmaß an Nicht-Ausrichtung einiger der Fasern zu einer Verschlingung von Fasern führt, die dem Produkt seitliche Kohäsion verleiht. Das Bindemittel ist bevorzugt, oder enthält, ein anorganisches Bindemittel.
Die anorganischen Oxidfasern können, falls gewünscht, in Beimischungen mit anderen Typen von Fasern und/oder mit nichtfaserigem, teilchenförmigen Material, zum Beispiel Faserkristallen aus Siliziumcarbid, Aluminosilikatfasern und teilchenförmigem Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Siliziumcarbid verwendet werden, wobei der Anteil des/der anderen Materials/Materialien in solchen Mischungen typischerweise bei ungefähr 40 bis zu ungefähr 80% der Fasern liegt.
Der Volumenanteil der Fasern in dem MMC (und in dem Vorformling) kann innerhalb eines weiten Bereiches schwanken, in Abhängigkeit von der erforderlichen Aufgabe des MMC und somit von der Verstärkung. Als Richtlinie, es können Volumenanteile an Fasern von ungefähr 10% bis zu 60% oder sogar noch höher, erreicht werden. Die Anwendung von im wesentlichen ausgerichteten Fasern gemäß der Erfindung besitzt den Vorteil, daß sie ermöglicht, daß große Volumenanteile an Fasern, zum Beispiel größer als 35%, ohne deutlichen Bruch der Fasern erreicht werden.
Die Einarbeitung großer Mengen an Fasern in den Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist mit einer Packung der Fasern verbunden, um einen hohen Volumenanteil an Fasern in den Verbundwerkstoffen zu erhalten. Anorganische Oxidfasern sind hart und ziemlich spröde und Verdichtung eines zufällig orientierten Vlieses oder einer Decke aus Fasern führt zu einem ausgedehnten Bruch der Fasern. Eine Orientierung oder Ausrichtung der Fasern führt, wenn Druck angelegt wird, um einen hohen Volumenanteil an Fasern zu erhalten, zu einem geringeren Bruch der Fasern.
Die anorganischen Oxidfasern können relativ lange Fasern mit einer Länge von einigen Zentimetern oder sogar Metern sein (natürlich abhängig von dem herzustellenden MMC); im Falle kleiner MMCs können die meisten der Fasern vollständig (endlos) über die ganze Länge des MMC verlaufen.
Lange Fasern können nicht während des Verfahrens zur Herstellung des MMC oder des Vorformlings ausgerichtet werden und sollten vor-ausgerichtet werden, zum Beispiel in Form eines Vlieses oder einer Decke der im wesentlichen ausgerichteten Fasern.
Produkte mit im wesentlichen ausgerichteten Fasern, das heißt Produktformen wie ein Vlies oder eine Decke, in denen die versponnenen (as spun) Fasern, im wesentlichen ausgerichtet sind, können zusammengepreßt werden, um den Volumenanteil der Fasern darin auf einen Wert größer als 25% zu erhöhen, ohne übermäßigen Bruch der Fasern und insbesondere mit einem nur sehr geringen Ausmaß an Faserbruch im Vergleich mit dem Bruch, der aus einer Verdichtung zu einem gleichen Volumenanteil an Fasern bei einem Material entsteht, das aus zufällig orientierten Fasern mit gleichem Durchmesser hergestellt ist. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Produkt, das im wesentlichen ausgerichtete, nominell endlose Fasern umfaßt, zusammenpreßbar, wobei der Volumenanteil der Fasern darin um ungefähr 50% oder mehr, ohne deutlichen Bruch der Fasern (d. h. eine Verminderung der Länge), erhöht werden kann. Der zum Zusammenpressen der Fasern angelegte Druck kann von 5 bis 1000 MPa gehen, ohne bei den Fasern einen ausgedehnten Bruch zu verursachen. Zum Vergleich, Verdichtung eines Vlieses aus zufällig orientierten Fasern mit dem gleichem Durchmesser zu einem Volumenanteil an Fasern von 12 bis 15% führt zu einem ausgedehnten Bruch der Fasern.
Der Bruch der Fasern während der Verdichtung des Produktes führt zu einer Abnahme der Zugfestigkeit des Produktes in der allgemeinen Richtung der Ausrichtung der Fasern. Ein übermäßiger Bruch der Fasern bedeutet ein plötzliches Absinken, nämlich ein Absinken der spezifischen Zugfestigkeit (= Bruchkraft/Masse der Probe) des Produktes unterhalb von 50%. Unter einer Verdichtung "ohne deutlichen Bruch" der Fasern wird eine Verdichtung verstanden, die keinen Fall der spezifischen Zugfestigkeit des Produktes unterhalb von 50% verursacht.
Das Ausmaß an Verdichtung, bei der es zu einem bedeutenden Bruch der Fasern kommt, wie er durch einen plötzlichen Fall der spezifischen Zugfestigkeit des Produktes repräsentiert wird, wird im groben durch das Zusammenpressen von Streifen des Produktes (wobei jeder Streifen die gleiche Länge und ungefähr die gleiche Breite und das gleiche Gewicht aufweist) zu unterschiedlichen Volumenanteilen an Fasern ermittelt, wobei die spezifische Zugfestigkeit eines jeden zusammengepreßten Streifens ermittelt und das Ausmaß an Verdichtung, bei der ein plötzlicher Fall der spezifischen Festigkeit der zusammengepreßten Proben erfolgt, notiert wird. Zur Erläuterung, es wurden Streifen eines erfindungsgemäßen im wesentlichen ausgerichteten Faserproduktes mit einem Volumenanteil an Fasern von 10% und einer Größe von 50 mm·3 mm (wobei die Längsrichtung parallel zur allgemeinen Richtung der Ausrichtung der Fasern verlief) mittels eines Angleichpreßkolbens (matching plunger) in einer 50 mm·3 mm Rinne zu einer Dicke entsprechend den Volumenanteilen an Fasern von 20, 30, 35, 40 und 45% zusammengepreßt. Die Zugfestigkeit eines jeden zusammengepreßten Streifens wurde festgestellt und die spezifische Zugfestigkeit des zusammengepreßten Streifens wurde berechnet. In diesem Experiment wurde gefunden , daß die spezifische Zugfestigkeit der Streifen ± 20% für alle der zu Volumenanteilen von 20, 30 und 35% zusammengepreßten Proben betrug, während die spezifische Zugfestigkeit des zu einem Volumenanteil von 40% zusammengepreßten Streifens auf nur ungefähr 5% der Festigkeit der ersten drei zusammengepreßten Proben gefallen war. Das Ausmaß an Verdichtung, bei der die Fasern einen deutlichen Bruch erfuhren, lag dementsprechend bei einem Volumenanteil an Fasern zwischen 35 und 40%.
Als grobe Richtlinie für die Zusammenpreßbarkeit des Faserproduktes kann der plötzliche Fall der spezifischen Zugfestigkeit des Produktes, der ein ausgedehntes Brechen der Fasern anzeigt, durch das Ziehen der Produktprobe zwischen den Fingern ermittelt werden; das unbeschädigte Produkt widersteht dem Auseinanderziehen, während ein beschädigtes Produkt sich leicht auseinanderziehen läßt. Durch die Anwendung dieses einfachen Tests kann ein erfahrener Operator in vernünftiger Weise genau den Punkt bestimmen, an dem eine ausgedehnte Beschädigung der Fasern stattfindet.
Die Fasern in dem MMC und in dem Vorformling sind in wesentlichen ausgerichtet und ein hohes Ausmaß an Faserorientierung wird im MMC und dem Vorformling erreicht. Wenn es gewünscht wird, können im wesentlichen alle Fasern im MMC oder dem Vorformling in der selben Richtung der Ausrichtung orientiert werden, um so dem Gegenstand eine eindirektionale Festigkeit zu verleihen. Alternativ dazu kann eine Mehrlagen-Faserverstärkung angewendet werden, in der die Fasern in einer bestimmten Schicht im wesentlichen ausgerichtet sind, in der aber die Fasern in verschiedenen Schichten zueinander gekreuzt angeordnet sind, d. h. in verschiedene Richtungen orientiert sind, und so dem Gegenstand eine Festigkeit gegenüber einer Vielzahl von Richtungen verleihen. Es sollte verstanden werden, daß MMCs und Vorformlinge, die eine Mehrlagen-Faserverstärkung umfassen, wobei die Fasern in jeder Schicht ausgerichtet sind, wobei aber die Richtung der Orientierung der Fasern in verschiedenen Schichten unterschiedlich ist, sich nichtsdestoweniger innerhalb des Bereiches der Erfindung befinden.
Die Erfindung betrifft Änderungen der Steifigkeit/des Moduls und des Leistungsverhaltens von Metallen bei hoher Temperatur, insbesondere von Leichtmetallen wie etwa Aluminium oder Magnesium und ihren Legierungen, durch die Einarbeitung von Fasern mit großer Festigkeit und großem Modul. Der Volumenanteil der Fasern in dem Material des Verbundwerkstoffes kann zum Beispiel bis zu 60% oder höher, typischerweise 10% bis 50% des Verbundwerkstoffes betragen. Der Verbundwerkstoff kann zum Beispiel Aluminiumoxidfasern, von 0,1 bis 2,5 g/ml, typischerweise von 0,2 bis 2,0 g/ml, oder bis zu 3 g/ml Zirkonoxidfasern enthalten. Der Fasergehalt des Verbundwerkstoffes kann über die Dicke des Verbundwerkstoffes schwanken, wobei er zum Beispiel auf der äußeren Fläche (während der Anwendung) des Verbundwerkstoffes hoch und auf der gegenüberliegenden Fläche niedriger sein kann. Veränderungen im Fasergehalt können einheitlich oder stufenweise erfolgen. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in einem MMC, wobei der Fasergehalt stufenweise schwankt und der mit einem Laminat aus MMCs mit verschiedenen Fasergehalten versehen ist, wobei die individuellen MMCs, falls gewünscht, durch eine Schicht eines Metalles, z. B. eine Schicht aus Aluminium oder Magnesium zu einem Integrallaminat getrennt werden. Der Verbundwerkstoff kann ein Stützschicht aus einem geeigneten textilen Fasergewebe aufweisen, zum Beispiel eine Schicht aus Kevlar-Fasergewebe.
Die Verstärkung in den MMCs ist ein im wesentlichen ausgerichtetes Faserprodukt, das anorganische Oxidfasern mit einem mittleren Durchmesser von nicht größer als 10 Mikrometern und bevorzugt von nicht größer als 5 Mikrometern umfaßt. Mit dem Begriff "im wesentlichen ausgerichtetes Faserprodukt" ist eine Produktform gemeint, in der sich die Fasern in die gleiche allgemeine Richtung erstrecken, die aber im Falle langer Fasern über ihre ganze Länge nicht wirklich parallel zueinander verlaufen können, so daß ein Ausmaß an Überlappung der Fasern möglich ist und jede einzelne Faser sich zum Teil oder sogar in ihrer gesamten Länge in einem Winkel, z. B. von bis zu 30º oder sogar noch höher, in Bezug auf die allgemeine Ausrichtung der Fasern, erstrecken kann. In einem solchen Produkt entsteht der Gesamteindruck von zueinander parallelen Fasern, tatsächlich kann jedoch ein leichtes Ausmaß an Überlappung und Verschlingung der Fasern wünschenswert sein, um dem Produkt seitliche Stabilität zu verleihen und dem Produkt eine Handhabbarkeit ohne übermäßige Abtrennung von Fasern zu ermöglichen. Es wird bevorzugt, daß mindestens 90% der Fasern im wesentlichen parallel sind.
Die anorganischen Oxidfasern sind "nominell endlos", wobei mit diesem Begriff gemeint ist, daß die einzelnen Fasern nicht in dem Sinne wirklich endlos sein können, daß sie eine unendliche Länge aufweisen oder sich über die ganze Länge des Produktes erstrecken, sondern daß jede Faser eine beachtliche Länge aufweist, z. B. mindestens 0,5 Meter und üblicherweise einige Meter, so daß der Gesamteindruck eines Produktes mit endlosen Fasern entsteht. So treten freie Faserenden in dem Produkt auf, die eine Unterbrechung der Faserkontinuität darstellen, aber im allgemeinen wird die Zahl der freien Enden in irgendeinem Quadratzentimeter des Produktes relativ gering sein und das Verhältnis von unterbrochenen Fasern in einem Quadratzentimeter wird nicht größer als 1 zu 100 sein.
Eine typische Faserverstärkung für die Verwendung bei der Herstellung von erfindungsgemäßen MMCs, die nominell endlose Fasern umfassen, stellt ein Vlies oder eine Decke mit einer Dicke von einigen Millimetern dar. In einem Produkt dieser Dicke kann die Zahl der freien Faserenden in einem Quadratzentimeter des Produktes einen Wert von bis zu ungefähr 2500 aufweisen; dies ist vergleichbar mit einem Wert von ungefähr 50.000 freien Enden in einem Produkt mit gleicher Masse, das aus kurzen (bis zu 5 Zentimetern) Stapelfasern mit dem gleichen Durchmesser hergestellt ist. Das aus nominell endlosen Fasern hergestellte Produkt ist daher in Aussehen und Eigenschaften sehr verschieden von einem Produkt, das aus kurzen Stapelfasern hergestellt ist.
Die Fasern in der Faserverstärkung sind polykristalline Metalloxidfasern wie Aluminiumoxid- und Zirkoniumoxidfasern und bevorzugt Aluminiumoxidfasern. In diesem Fall können die Aluminiumoxidfasern Alpha-Aluminiumoxidfasern oder eine Übergangsphase des Aluminiumoxids umfassen, besonders Gamma- oder Delta-Aluminiumoxid, im großen Maße von der Wärmebehandlung abhängig, der die Fasern unterzogen wurden. Typischerweise umfassen die Fasern gänzlich ein Übergangsaluminiumoxid oder einen kleineren Anteil an Alpha- Aluminiumoxid, eingebettet in einer Matrix aus Übergangsaluminiumoxid, wie Eta-, Gamma- oder Delta- Aluminiumoxid. Es werden Fasern mit einem Null- oder einem kleinen Gehalt an Alpha-Aluminiumoxid bevorzugt, insbesondere mit einem Alpha-Aluminiumgehalt von unterhalb 20 Gewichts-% und ganz besonders von unterhalb 10 Gewichts-%. Im allgemeinen ist die Zugfestigkeit und die Biegsamkeit der Faser um so niedriger, je höher der Gehalt an Alpha-Aluminiumoxid ist. Die bevorzugten erfindungsgemäßen Fasern weisen annehmbare Zugfestigkeiten und eine hohe Biegsamkeit auf. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weisen die Fasern eine Zugfestigkeit größer als 1750 MPa und einen Modul größer als 200 GPa auf:
Im Falle der Aluminiumoxidfasern hängt die Dichte der Fasern größtenteils von der Wärmebehandlung ab, der die Fasern unterworfen wurden. Nach dem Verspinnen und mindestens einem partiellen Trocknen, werden die Gelfasern unter Dampf bei einer Temperatur von ungefähr 200ºC bis zu ungefähr 600ºC erhitzt, um den Metalloxidvorläufer zu zersetzen, und dann weitererhitzt, um die entstandenen Metalloxidfasern zu sintern. Sintertemperaturen von 1000ºC oder höher können angewandt werden. Nach der Dampfbehandlung sind die Fasern hochporös und die Hoch-Porosität wird während des Sinterns bei zum Beispiel bis zu 900 bis 950ºC beibehalten. Nach einem Sintern bei beispielsweise 1100ºC oder höher weisen die Fasern jedoch wenig Porosität auf. Deshalb können durch die Steuerung der Sintertemperatur Fasern mit niedriger Dichte und hoher Porosität oder Fasern mit hoher Dichte und niedriger Porosität erhalten werden. Typische scheinbare Dichten für Fasern mit niedriger und hoher Dichte sind 1,75 g/ml und 3,3 g/ml; Fasern mit jeder gewünschten Dichte innerhalb dieses Bereiches können durch eine sorgfältige Steuerung der Hitzebehandlung, der die Fasern unterzogen werden, erhalten werden.
Es wurde beobachtet, daß der Modul der Aluminiumoxidfasern oberhalb von 800ºC nicht stark von dem Hitzebehandlungsprogramm, dem die Fasern unterzogen worden waren, berührt zu werden schien und in Übereinstimmung mit der scheinbaren Dichte der Fasern nicht stark schwankte. Zum Beispiel wurde über einen Bereich der scheinbaren Faserdichten von 2 g/ml bis 3,3 g/ml typischerweise eine Änderung des Moduls von ungefähr 150 bis 200 GPa auf ungefähr 200 bis 250 GPa beobachtet. Deshalb ist das Verhältnis des Fasermoduls zur Faserdichte (= spezifischer Modul) im allgemeinen in Bezug auf Fasern mit niedriger Dichte am größten.
Ausgerichtete und nominell endlose Faserprodukte können mittels einer Blasspinntechnik (blow-spinning technique) oder einer Zentrifugalspinntechnik (centrifugal spinning technique) hergestellt werden, wobei in beiden Fällen eine Spinnzubereitung zu einer Vielzahl an Streifen des Faservorläufers geformt wird, die dann zumindest teilweise im Flug (flight) getrocknet werden, um Gelfasern zu ergeben, die dann in einer geeigneten Vorrichtung, wie einer mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Aufwindtrommel (wind-up drum) gesammelt werden. Die Geschwindigkeit der Rotation der Aufwindtrommel hängt vom Durchmesser der Trommel ab und ist so auf die Geschwindigkeit des Verspinnens der Fasern abgestimmt, daß auf die schwachen Gelfasern keine übermäßige Zugspannung ausgeübt wird. Nur als Richtlinie, eine Geschwindigkeit der Aufwindtrommel von 1500 rpm ist ziemlich typisch für eine Trommel mit einem Durchmesser von 15 cm. In der Praxis kann es wünschenswert sein, die Aufwindtrommel schneller zu drehen als die Geschwindigkeit der Extrusion der Fasern, so daß die Fasern einer leichten Zugspannung unterworfen werden, die dazu dient die Fasern auf den gewünschten Durchmesser zu ziehen und die Fasern gerade zu halten. Selbstverständlich sollte die angelegte Zugspannung nicht ausreichen, um die Mehrheit der Fasern zu zerbrechen.
Wie vorstehend erklärt, können die Fasern nicht wirklich endlos sein und weisen im allgemeinen eine Länge von einigen Metern auf. Die minimale Faserlänge im Falle des Sammelns auf einer Aufwindtrommel ist ungefähr gleich dem Umfang der Aufwindtrommel, da Fasern, die kürzer als dieser sind, dazu neigen von der Rotationstrommel geworfen zu werden. Weil die Fasern nicht von unendlicher Länge sind, ist es wichtig, daß eine Vielzahl von Fasern gleichzeitig versponnen wird, so daß die entstehende Ansammlung an Fasern die Vorrichtung in einem Bündel oder einer Schicht verläßt, wobei die freien Enden der Fasern sich über das Bündel oder die Schicht aus Fasern verteilen, was zu dem Gesamteindruck einer Faser-Kontinuität führt.
Die Spinnzubereitung kann eine der in der Technik zur Herstellung polykristalliner Metalloxidfasern bekannten sein und ist bevorzugt eine Spinnlösung, die frei oder im wesentlichen frei ist von suspendierten festen Teilchen mit einer Größe über 10, bevorzugt einer Größe über 5 Mikrometern. Die rheologischen Charakteristiken der Spinnzubereitung können ohne weiteres so eingestellt werden, daß eher lange als kurze Fasern entstehen, zum Beispiel durch die Anwendung von Spinnhilfen wie organische Polymere oder durch Variation der Konzentration der faserbildenden Bestandteile in der Zubereitung.
Die Faserverstärkung kann eine Schicht oder ein Vlies sein, die im wesentlichen ausgerichtete und nominell endlose Faser umfassen, die als Ergebnis einer Verhakung einiger der Fasern seitliche Kohäsion zeigen. Ein kleines Ausmaß an Nichtausrichtung der Fasern in dem Produkt besitzt den Vorteil, daß sie dem Produkt seitliche Stabilität verleiht und ihm so eine zufriedenstellende Handhabbarkeit ermöglicht. Ein bevorzugtes Produkt besitzt ein Ausmaß an seitlicher Kohäsion, daß es einer deutlichen Trennung der Fasern unter normalen Bedingungen der Handhabung widersteht. Bevorzugt ist die seitliche Kohäsion in dem Produkt von der Art, daß das Produkt eine Zugfestigkeit von mindestens 25.000 Pa in einer Richtung senkrecht zur allgemeinen Richtung der Ausrichtung der Fasern zeigt. Die seitliche Festigkeit des Produktes wird bis zu einem gewissen Ausmaß vom Durchmesser der Fasern abhängen, da bei einem gegebenen Ausmaß an Verhakung, dickere Fasern eine größere seitliche Festigkeit als dünnere Fasern erzeugen werden; tatsächlich tendieren dickere Fasern dazu weniger zu verhaken als dünnere Fasern, so daß in der Praxis dickere Fasern zu einer geringeren seitlichen Festigkeit in dem Produkt führen.
Ein typisches Produkt dieses Typs ist eine Schicht oder ein Vlies mit einer Dicke von einigen, sprich 2 bis 5 Millimetern, einer Breite von einigen Zentimetern und einer Länge von einem Meter oder mehr, erhalten durch das Sammeln der Fasern auf einer Aufwindtrommel und durch das Schneiden der gesammelten Fasern parallel zur Achse der Aufwindtrommel (womit die Länge und Breite der Fläche oder des Vlieses durch die Abmessungen der Aufwindtrommel bestimmt werden). Andere Produkte wie Garne, Vorgarne, Streifen und Bänder können entweder aus dem auf der Aufwindtrommel gesammelten Produkt oder direkt unter Verwendung einer geeigneten Faser- Sammeltechnik erhalten werden. Im Falle eines auf einer Aufwindtrommel gesammelten Produktes, kann das Produkt in der allgemeinen Richtung der Ausrichtung der Fasern geschnitten werden, um Streifen oder Bänder zur Verfügung zu stellen, die von der Trommel abgezogen werden können und wenn es erwünscht ist, in Garne oder Vorgarne verwandelt werden können. Ein Faserprodukt in Form von Garnen, Vorgarnen, Streifen oder Bändern kann unter Anwendung geeigneter Webtechniken in gewobene Produkte verwandelt werden.
Jedes Metall, das bei einer Temperatur von unterhalb ungefähr 1200ºC schmilzt, kann als Matrixmaterial verwendet werden. Die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Leichtmetallen, so daß sie anstelle von Schwermetallen verwendet werden können, ist jedoch ein besonderer Vorteil der Erfindung, und es ist die Verstärkung von Leichtmetallen mit der sich die Erfindung besonders beschäftigt. Beispiele geeigneter Leichtmetalle sind Aluminium, Magnesium, Titan und Legierungen dieser Metalle, die das genannte Metall als Hauptkomponente enthalten und die zum Beispiel mehr als 80 bis 90 Gew.-% der Legierung darstellen.
Wie vorstehend beschrieben, können die Fasern aus porösen Materialien mit niedriger Dichte oder Materialien mit geringer oder Nullporosität und hoher Dichte bestehen, abhängig von der Wärmebehandlung, der die Fasern unterzogen wurden. Da die Fasern 50% oder mehr des Volumens der MMCs ausmachen können, kann die Dichte der Fasern in deutlicher Weise die Dichte des MMC beeinflussen. So liefert beispielsweise eine Magnesiumlegierung mit einer Dichte von ungefähr 1,9 g/ml, die mit Fasern mit einer Dichte von 3,3 g/ml um einen Volumenanteil von 50% verstärkt ist, eine Dichte des MMC von ungefähr 2,6 g/ml, d. h. dichter als die Legierung alleine; umgekehrt wird eine Aluminiumlegierung mit einer Dichte von 2,8 g/ml, die mit Fasern mit einer Dichte von 2,1 g/ml um einen Volumenanteil von 50% verstärkt ist, einen MMC mit einer Dichte von 2,45 g/ml liefern, d. h. weniger dicht als die Legierung alleine.
Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung von MMCs mit einer innerhalb eines weiten Bereiches vorherbestimmten Dichte. Aluminium und Magnesium und ihre Legierungen weisen typischerweise eine Dichte im Bereich von 1,7 bis 2,8 g/ml auf, und da die Dichte der Fasern von ungefähr 1,75 bis zu 3,3 schwanken kann, können MMCs mit einer Dichte von 1,9 bis ungefähr 3,0 g/ml ohne weiteres hergestellt werden. Ein mit einer besonderen, leichten Faser verstärktes besonderes Leichtmetall oder besondere Legierung ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung, insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung mit einer Dichte geringer als 2,0 g/ml, das/die mit einer Faser (besonders einer Aluminiumoxidfaser) mit einer Dichte von weniger oder ungefähr 2,0 g/ml verstärkt ist, stellt einen MMC mit einer Dichte von weniger als 2,0 g/ml zur Verfügung.
Wenn es gewünscht wird, kann die Oberfläche der Fasern verändert werden, um die Benetzbarkeit der Fasern durch das Metallmatrixmaterial und andere Fasercharakteristiken zu verändern. Beispielsweise kann die Faseroberfläche durch Beschichten der Fasern oder durch die Einarbeitung eines modifizierenden Mittels in die Fasern zur Verbesserung ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit oder zur Steuerung der Grenzflächenhaftung und somit von Eigenschaften wie der Bruchzähigkeit verändert werden. Alternativ dazu kann das Metallmatrixmaterial durch die Einarbeitung eines Elementes verändert werden, das die Benetzbarkeit der anorganischen Oxidfasern durch das Matrixmaterial erhöht, zum Beispiel Zinn, Cadmium, Antimon, Barium, Wismut, Calcium, Strontium oder Indium.
Um die erfindungsgemäßen MMCs herzustellen, wird ein Vorformling/Flüssigmetall-Tränkungsverfahren bevorzugt, in dem die Fasern zuerst zu einem Vorformling zusammengestellt werden, wobei die Fasern mittels eines Bindemittels zusammengebunden werden, welches sich üblicherweise aus einem anorganischen Bindemittel wie Siliziumdioxid zusammensetzt, oder ein solches enthält. Dieses Bindemittel kann flüchtig sein, d. h. durch das geschmolzene Metall, mit dem der Vorformling getränkt wird, ersetzt werden. Es ist möglich Elemente in das Bindemittel einzubauen, die die Benetzbarkeit der Fasern durch das Matrixmaterial während des Tränkens des Vorformlings erhöhen.
Obgleich die Bildung eines Vorformlings, in dem die Fasern durch ein Bindemittel, insbesondere ein anorganisches Bindemittel, zusammengebunden sind, um die Fasern an einer Bewegung während der Tränkung mit flüssigem Metall zu hindern, bevorzugt ist, ist es möglich eine Faseranordnung, in der die Fasern durch andere Vorrichtungen als ein anorganisches Bindemittel an einer Bewegung gehindert werden, anzuwenden. Ein Weg dies zu tun, besteht darin, die Fasern in eine Röhre oder Form einzubetten. Längs ausgerichtete, endlose oder nominell-endlose Fasern können direkt in eine Form eingebettet werden, die bewegliche Teile aufweist, und durch Schließung der Form zu dem erforderlichen Volumenanteil an Fasern zusammengepreßt werden.
In dem bevorzugten Vorformling/Tränkungsverfahren, kann das geschmolzene Metall unter Druck in den Vorformling gequetscht werden, oder es kann in den Vorformling unter Vakuum eingesaugt werden. Es wurde beobachtet, daß das Anlegen von Druck oder Vakuum zur Erleichterung der Tränkung des Vorformlings mit einem flüssigen Metallmatrixmaterial jedem Problem bei der Benetzung der Fasern durch das Matrixmaterial begegnet. Die Tränkung des Vorformlings mit dem Metall kann in Richtung der Dicke des Vorformlings oder in einem Winkel zur Richtung der Dicke des Vorformlings, bevorzugt 90º, und entlang der Fasern erfolgen. In dem Vorformling werden die ausgerichteten Fasern üblicherweise in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Dicke des Vorformlings orientiert sein. Tränkung des Vorformlings mit dem Metall in Richtung der Dicke, d. h. quer zu den Fasern, kann eine Trennung der Fasern und/oder eine Verdichtung des Vorformlings und den Verlust der Verstärkungseigenschaften in dem MMC verursachen; Tränkung des Vorformlings mit dem Metall entlang der Faserlänge in Richtung der Ausrichtung/Orientierung der Fasern vermindert die Neigung der Fasern sich zu trennen und/oder die Neigung zur Verdichten des Vorformlings und kann zu einer vergrößerten Verstärkung des Metalls durch die Fasern führen.
Tränkung des Vorformlings mit dem geschmolzenen Metall kann im Fall von Aluminium oder Aluminiumlegierungen unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgeführt werden, z. B. Luft der Umgebung, aber wenn bestimmte Metallmatrixmaterialien angewendet werden, zum Beispiel Magnesium und Magnesiumverbindungen, wird Sauerstoff bevorzugt aus der Atmosphäre über dem geschmolzenen Metall ausgeschlossen. Geschmolzenes Magnesium oder eine Legierung davon wird typischerweise während der Tränkung des Vorformlings damit, unter einer inerten Atmosphäre gehandhabt, zum Beispiel einer Atmosphäre, die eine kleine Menge (z. B. 2%) Schwefelhexafluorid in Kohlendioxid enthält, um eine Oxidation des (geschmolzenen) Metalls zu vermeiden.
Die Herstellung von Vorformlingen für eine Tränkung mit dem geschmolzenen Metallmatrixmaterialien kann durch eine große Vielfalt an Verfahren erfolgen, einschließlich zum Beispiel Zieh-Strangpressen, Präzisionswickelverfahren, Spritzgießverfahren, Druckverformung, Spritzung oder Eintauchen. Solche Verfahren sind bei der Herstellung faserverstärkter Harzzusammensetzungen gut bekannt und es versteht sich, daß die Verwendung eines (mehrerer) beweglichen Bindemittels oder einer Suspension eines (mehrerer) Bindemittels anstelle eines Harzes in den bekannten Verfahren einen Vorformling ergibt. Andere Verfahren zur Herstellung von Vorformlingen schließen Kontaktpreßverfahren und Verfahren zum Pulververdichten ein. Bei den Kontaktpreßverfahren werden dünne Proben aus faserigen Materialien, z. B. gewobene Materialien, mit einer Suspension eines (mehrerer) Bindemittel getränkt und Vielfachschichten der nassen, getränkten Proben werden mit der Hand zusammengestellt und die Anordnung wird dann in einer Preßform oder einem Preßwerkzeug zusammengepreßt, um einen Integralvorformling zu erhalten. In Verfahren zum Pulververdichten werden Schichten aus faserigen Materialien und (ein) Bindemittel in Pulverform zusammengebracht, z. B. durch Kontaktpressen, und die Anordnung wird dann in einer Preßform oder einem Preßwerkzeug bei einer Temperatur, die ausreicht um das gepulverte Bindemittel zu schmelzen, gepreßt, um einen Integralvorformling zu bilden.
Das Bindemittel, das zur Bildung des Vorformlings angewendet wird, kann ein anorganisches Bindemittel oder ein organisches Bindemittel oder eine Mischung daraus sein. Jedes anorganische oder organische Bindemittel, das (wenn getrocknet) die Fasern in einem solchen Ausmaß zusammenbindet, daß der Vorformling ohne Beschädigung gehandhabt werden kann, kann verwendet werden. Beispiele geeigneter anorganischer Bindemittel sind Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid und Magnesiumoxid und Mischungen davon. Beispiele geeigneter organischer Bindemittel sind Kohlenhydrate, Proteine, Gummi, Materialien aus Latex und Lösungen oder Suspensionen aus Polymeren.
Die Menge an Bindemittel kann innerhalb eines weiten Bereiches, von bis zu ungefähr 50 Gew.-% der Fasern in dem Vorformling, schwanken, aber typischerweise wird sie in einem Bereich von 10 bis 30 Gew-% der Fasern liegen. Als Richtlinie umfaßt ein geeignet gemischtes Bindemittel 1 bis 20 Gew.-%, sprich ungefähr 5 Gew.-% an einem anorganischen Bindemittel, wie Siliziumdioxid, und 1 bis 10 Gew.-%, sprich ungefähr 5 Gew.-% an einem organischen Bindemittel, wie Stärke. Für den Fall, daß das Bindemittel in Form einer Suspension in einem flüssigen Träger verwendet wird, wird eine wäßrige Trägerflüssigkeit bevorzugt.
Wie vorstehend diskutiert wurde, können die erfindungsgemäßen MMCs durch Tränken des Vorformlings hergestellt werden. Alternativ dazu kann jedes der beschriebenen anderen Verfahren zur Herstellung der Vorformlinge an die direkte Herstellung von MMCs durch die Verwendung eines Metallmatrixmaterials anstelle eines Bindemittels oder Mischungen von Bindemitteln angepaßt werden. Zusätzliche Verfahren zur Herstellung von MMCs schließen chemische Beschichtung, Dampfabscheidung, Plasmasprühung, elektrochemische Beschichtung, Diffusionsbindung (diffusion bonding), Warmwalzen, Isostatisches Pressen, Sprengschweißen und Schleuderguß ein.
Bei der Herstellung von MMCs muß Mühe darauf verwendet werden, Hohlräume in den MMC zu vermeiden. Im allgemeinen sollte der Hohlraumanteil in den MMCs unterhalb von 10% liegen und bevorzugt liegt er unter 5%; idealerweise ist der MMC völlig frei von Hohlräumen. Die Anwendung von Wärme und hohem Druck auf die MMCs während ihrer Herstellung ist üblicherweise ausreichend, um die Abwesenheit von Hohlräumen in der Struktur des MMC zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäßen MMCs können in jeder Anwendung, in der faserverstärkte Metalle angewendet werden, verwendet werden, zum Beispiel in der Motorenindustrie und für Schlagzähigkeits-Anwendungen. Der MMC kann, falls gewünscht, mit anderen MMCs oder Trägern, wie Metallschichten, geschichtet sein.
Die Erfindung ist durch die folgenden Beispiele erläutert, in denen die Faserverstärkung folgendermaßen hergestellt wurde:

Herstellung einer Gelspinnlösung

0,1 g Thioharnstoff wurden in 600 g einer im Handel erhältlichen Aluminiumchlorhydratlösung (Locron L, erhältlich von der Hoechst AG) gelöst. Die Lösung wurde mit einem Propellerrührer gerührt und 6,5 g Polyethylenoxid (Union Carbide Polyox WSR-N-750) wurden hinzugefügt; das Polymer löste sich über einen Zeitraum von 2 Stunden. In dieser Stufe war die Viskosität der Lösung ungefähr 1 Poise. 160 g Aluminiumchlorhydratpulver (Hoechst Locron P) wurden dann zur Lösung hinzugefügt; das Pulver löste sich nach zwei Stunden weiteren Rührens. 35 g eines oberflächenaktiven Siloxans, Dow DC 193, wurden dann hinzugefügt. Die Lösung wurde durch einen Glasfaserfilter (Whatman 6FB) filtriert, namentlich mit zwischen 1 und 1,5 Mikrometern angegeben.
Die Viskosität der Lösung, gemessen auf einem Niederscher-Ubbelhode-Kapillarviskosimeter, betrug 18 poise.

Bildung der Fasern

Die Lösung wurde durch eine Lochreihe extrudiert, welche auf beiden Seiten Schlitze aufwies, durch die Luft geleitet wurde, um auf das austretende Extrudat zuzuströmen. Die Luft strömte mit 60 m/sec und wurde bei 25ºC auf 85% relative Feuchtigkeit angefeuchtet. Weitere Ströme erhitzter trockener Luft strömten bei 60ºC an der Außenseite der Feuchtluftströme. Lange, (nominell endlose) Gelfasern wurden gebildet und diese wurden mit den gemeinsam strömenden Luftströmen in eine konvergierende Rohrleitung eingespeist, an deren Basis die Mischung mit einer Gasgeschwindigkeit von 14 m/sec auf einen mit feinem Korundpapier beschichteten Rotor auftraf, der mit 12 m/sec Umfangsgeschwindigkeit rotierte. Eine Decke aus im wesentlichen ausgerichteten Fasern sammelte sich auf dem Rotor.
Nach 30 Minuten wurde der Rotor von der Basis der konvergierenden Rohrleitung abgezogen, angehalten und die Decke aus ausgerichteten Fasern parallel zur Achse des Rotors abgeschnitten und vom Rotor entfernt. In dieser Stufe enthielten die Gelfasern 43 Gew.-% feuerfestes Material, wobei Siliziumdioxid 4,1 Gew.-% des feuerfesten Materials ausmachte. Der mittlere Gelfaserdurchmesser betrug 5 Mikrometer.
Die "versponnene" Gelfaserdecke wurde in einem Ofen bei 150ºC 30 Minuten lang getrocknet und dann sofort in einem zweiten Ofen überführt, der mit Dampf bei 300ºC und 1 Atmosphäre gespült wurde. Die Temperatur des Dampfes zum Spülen wurde über einen Zeitraum von 45 Minuten auf 600ºC erhöht, wobei der Ofen mit Luft gespült wurde und die Temperatur dann allmählich über einen Zeitraum von 45 Minuten auf 900ºC erhöht wurde. In dieser Stufe waren die Fasern weiß und porös. Die Hauptkristallphase war Eta-Aluminium, die Porosität 40 Vol.-% und die Oberfläche 140 m²/g. Der mittlere Durchmesser der Fasern betrug 3,6 Mikrometer.
Das Faserprodukt wurde dann, wo angezeigt, an der Luft 15 Minuten bei 1300ºC erhitzt. Eine feuerfeste Faser mit einem mittleren Durchmesser von 3 Mikrometer wurde erhalten. Die Hauptaluminiumphase in der Faser war Delta-Aluminium in Form kleiner Kristallite, zusammen mit 3 Gew.-% Alpha-Aluminium. Die Faserporosität betrug 10%.

Beispiel 1

Ein runder Vorformling mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 15 mm wurde aus polykristallinen Aluminiumoxidfasern durch ein Kontaktpreßverfahren hergestellt.
Runde Proben (100 Millimeter Durchmesser) wurden aus einer Schicht oder einem Vlies aus im wesentlichen ausgerichteten, nominell-endlosen polykristallinen Aluminiumoxidfasern, gebrannt bei 1300ºC, ausgeschnitten. Die Dichte, Zugfestigkeit und der Modul der Fasern waren 3,3 g/ml, 2.000 MPa und 300 GPa. Das Vlies wies eine seitliche Festigkeit von 42.500 N/m² auf.
Die Proben aus Faservlies wurden mit einem wäßrigen Siliziumdioxidsol besprüht, in einer Menge, die eine Flüssigkeitsaufnahme an Siliziumdioxid (Trockengewicht) von ungefähr 5 Gew.-% der Fasern lieferte. Unmittelbar nach der Behandlung mit Silizumdioxid wurde die Probe mit einer wäßrigen Lösung aus Stärke und einer Beibehaltungshilfe (retention aid), erhältlich unter dem Warennamen "Percol", besprüht, in einer Menge, um eine Flüssigkeitsaufnahme (Trockengewicht) von 5 Gew.-% Stärke und 2 Gew.-% "Percol", bezogen auf die Fasern, zu liefern. Die Stärke/"Percol"-Lösung dient dazu, das Siliziumgel auf den Fasern auszuflocken und das Siliziumdioxid auf den Fasern zu halten.
Getränkte runde Proben der Fasern wurden per Hand so in eine zylindrische Preßform gelegt, daß die Fasern in den verschiedenen Schichten in derselben Richtung ausgerichtet waren und die Anordnung wurde auf eine vorher festgelegte Dichte zusammengepreßt, entsprechend einem vorher festgelegten Volumenanteil an Faser. Die Anordnung wurde an der Luft bei ungefähr 110ºC 4 Stunden lang getrocknet und dann bei 1200ºC 20 Minuten gebrannt, um die Anordnung zu verfestigen und jedes organische Material herauszubrennen. Unter Verwendung dieses Verfahrens wurden Vorformlinge mit einem Anteil an Faservolumen von 0,2 und 0,5 hergestellt und als "Vorformling A" beziehungsweise "Vorformling B" bezeichnet.
Zwei weitere Vorformlinge, bezeichnet als "Vorformling C" und "Vorformling D", mit einem Anteil an Faservolumen von 0,2 beziehungsweise 0,5, wurden mittels des vorstehenden Verfahrens aus einem Vlies aus im wesentlichen ausgerichteten, nominell endlosen polykristallinen Aluminiumoxidfasern, gebrannt bei 900ºC, hergestellt. Die Dichte, Festigkeit und der Modul der Fasern betrugen 2,1 g/ml, 2100 MPa und 210 GPa. Das Vlies wies eine seitliche Festigkeit von 35.000 N/m² auf. Bei der Herstellung der Vorformlinge C und D betrug die Temperatur, bei der die Anordnung aus Fasern gebrannt wurde, 900ºC anstatt 1200ºC.
MMCs wurden folgendermaßen aus den Vorformlingen hergestellt. Jeder der Vorformlinge A und B wurde in eine Preßform gesetzt, auf 500ºC vorerhitzt, und geschmolzenes Metall wurde bei einer Temperatur von 850ºC auf den Vorformling gegossen. Jeder der Vorformlinge C und D wurde auf 840ºC in einer Preßform vorerhitzt, und geschmolzenes Metall wurde bei 840ºC auf den Vorformling gegossen. Das Metall war eine Aluminiumlegierung, erhältlich als Al 6061, und einer ungefähren prozentualen Zusammensetzung aus 97.95 Al, 1,0 Mg, 0,6 Si, 0,25 Cu, 0,25 Cr.
Das geschmolzene Metall wurde unter einem angelegten Druck von 30 MPa mittels einer hydraulischen Stempelpresse über einen Zeitraum von einer Minute in die Vorformlinge gezwungen. Der entstandene Strang (MMC) wurde aus der Preßform entnommen und einer T6-Behandlung unterzogen (Bei 520ºC 8 Stunden lang ein Lösungsglühen und bei 220ºC 24 Stunden lang eine Aushärtungsbehandlung). Der entstandene getemperte Strang wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und seine Eigenschaften gemessen. Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 Vorformling Dichte (g/ml) Zugfestigkeit (MPa) Modul (GPa) Relative*) Spezifische Festigkeit Fasern (A/B) Fasern (C/D) Legierung Relativ zu einem Wert von 1,0 für die unverstärkte Legierung.

Beispiel 2

Vier Vorformlinge, bezeichnet als "Vorformlinge A-D", wurden wie in Beispiel 1 beschrieben, hergestellt.
MMCs wurden aus den Vorformlingen durch das in Beispiel 1 beschriebene Quetschtränkungsverfahren hergestellt, aber unter Verwendung einer Magnesiumlegierung, Mg-ZE63, anstelle einer Aluminiumlegierung, mit einer angenäherten prozentualen Zusammensetzung von 90 Mg, 5,8 Zn, 2,5 Seltene Erdenmetalle und 0,7 Zr. Die geschmolzene, sich unter einer Schicht aus 2% SF&sub6; in Kohlendioxid befindende, Magnesiumlegierung wurde auf den Vorformling gegossen (auf 500ºC im Fall der Vorformlinge A und B vorerhitzt und auf 800ºC im Fall der Vorformlinge C und D) und unter einem 1 Minute angelegten Druck von 30 Mpa in den Vorformling gepreßt.
Der entstandene MMC wurde der Preßform entnommen und abgekühlt, seine Eigenschaften wurden ermittelt und sind in Tabelle 2 gezeigt. TABELLE 2 Vorformling Dichte (g/ml) Zugfestigkeit (MPa) Modul (GPa) Relative*) Spezifische Festigkeit Fasern (A/B) Fasern (C/D) Legierung Relativ zu einem Wert von 1,0 für die unverstärkte Legierung.

BEISPIELE 3 UND 4

Faserspinnkabel mit einer angenäherten Länge von 5 bis 7 cm, hergestellt aus einer Decke aus im wesentlichen ausgerichteten Aluminiumoxidfasern mit einem mittleren Durchmesser von 3 Mikrometer, die im Dampf hitzebehandelt und dann bei 950ºC erhitzt worden waren, wurden gewogen und in Schichten in die untere Hälfte einer Preßform gelegt, die zwei halbrunde Teile umfaßt, welche einen Zylinder mit einem Durchmesser von 1 bis 1,5 cm bilden, wenn die Preßform geschlossen ist. Die Preßform wurde geschlossen, um die Fasern zusammenzupressen, beide Hälften der Preßform bewegen sich, um ungleichmäßige Drucke und Totzonen zu verringern. Die Preßform ist an den Enden offen, wodurch ein Zugang zu den Enden der zusammengepreßten Faserbündel geschaffen wird. Der Volumenanteil an Fasern in dem zusammengepreßten Bündel betrug 0,57 (Beispiel 3).
Die Preßform wurde um 90º gedreht, so daß das Faserbündel senkrecht war, und ihr unteres Ende wurde verschlossen und sie wurde mit einer Edwards 5 Einstufen- Vakuumpumpe verbunden. Unter Verwendung eines Trichters wurde ein flüssiges Methylmethacrylatharz (Modar 835) in das obere Ende der Preßform gegossen, während an das untere Ende der Preßform ein Vakuum angelegt wurde, um das Harz in die Preßform zu saugen und das Faserbündel zu tränken. Die Verbindung zum Vakuum wurde gelöst und das Harz wurde 2 Stunden lang einer Härtung bei Raumtemperatur überlassen. Die Preßform wurde dann entfernt und auf einer Drehmaschine fertiggestellt.
Der fertige Vorformling wurde in eine Weichstahlröhre eingepaßt, die dann auf ungefähr 700ºC erhitzt wurde, um das Harz herauszubrennen und es den ausgerichteten Fasern in der Röhre zu gestatten, sich zu entspannen. Die Röhre wurde dann in eine Vorrichtung zur Quetschtränkung plaziert und bei 600ºC mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (6061) der angenäherten Zusammensetzung Al 97,95%:Mg 1%:Si 0,6%:Cr 0,25%:Cu 0,25% getränkt. Der Röhre wurde dann gestattet abzukühlen; der Verbundwerkstoff wurde nicht getempert (aged).
In einem weiteren Experiment (Beispiel 4) wurde ein stabähnlicher Metallmatrix-Verbundwerkstoff wie vorstehend beschrieben hergestellt, außer das der Volumenanteil an Aluminiumoxidfasern 0,56 anstatt 0,57 betrug.
Die Module der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe betrugen:
Ex.3 Modul - 160 GPa
Ex.4 Modul - 154 GPa

BEISPIEL 5

Ein stabähnlicher Metallmatrix-Verbundwerkstoff wurde wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt, außer das der Volumenanteil an Aluminiumoxidfasern 0,45 betrug und die Fasern aus einer Decke entnommen wurden, die in der Luft bei 1300ºC anstatt bei 950ºC erhitzt worden war.
Der Modul des Verbundwerkstoffes betrug 151 GPa.

BEISPIEL 6-15

Stabähnliche Metallmatrix-Verbundwerkstoffe wurden wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt, sie enthielten die nachstehend mit den Eigenschaften des Verbundwerkstoffes gezeigten Faservolumenanteile. Exp. Nr. V. F. Faser Faserbrenntemp. Metallmatrix
Die Dichte der Verbundwerkstoffe in Beispiel 14 und 15 (Mg-Matrix) betrug weniger als 2,0 g/ml. In allen Beispielen erwiesen sich die Festigkeit und der Modul der Verbundwerkstoffe als wie aus den entsprechenden Eigenschaften der Fasern und der Metallmatrix vorhergesagt.

BEISPIEL 16

Runde Proben mit einem Durchmesser von 100 mm wurden aus einem Vlies aus ausgerichteten Aluminiumoxidfasern ausgeschnitten und in einer runden Vakuum-Tränkungspreßform (Durchmesser 100 mm) zusammengebracht, wobei die Fasern in allen Schichten in der gleichen allgemeinen Richtung ausgerichtet waren. Die Dicke der Faseranordnung wurde so gewählt, daß eine Verdichtung auf eine Dicke von 15 mm einen Vorformling mit einer Dichte von 1,2 g/ml ergeben würde. Die Anordnung wurde dann mit einer verdünnten Lösung eines Siliziumdioxidzols (1030W Siliziumdioxidsol) getränkt, das 30 Gew. -% Siliziumdioxid enthielt, um eine Flüssigkeitsaufnahme an Siliziumdioxid von 5 Gew. -%, bezogen auf das Gewicht der Fasern, zu erreichen. Das Siliziumdioxid wurde auf die Fasern ausgefällt, indem zuerst eine 2,5%ige Stärkelösung und als zweites eine 0,5%ige Lösung eines ausflockenden Mittels (Percol 292) durch die Anordnung geleitet wurde. Die Anordnung wurde dann zu einer Dicke von 15 mm zusammengepreßt und ihr wurde es gestattet über Nacht bei ungefähr 110ºC zu trocknen, um einen durch Siliziumdioxid gebundenen Vorformling zu ergeben.
Eine aus dem Vorformling ausgeschnittene rechteckige Probe wurde in einen rechteckigen Kasten mit offenen Enden eingebracht und auf 750ºC erhitzt, um jedes organisches Material herauszubrennen. Der in dem Kasten befindliche Vorformling (bei 750ºC) wurde in eine Gußpreßform, die auf 300ºC vorerhitzt war, plaziert und mit einer Aluminiumlegierung (LM10, 10% Magnesium enthaltend) bei 820ºC durch Anlegen eines mittels einer auf 350ºC vorerhitzten Walzanordnung erzeugten Drucks von 30 MPa quetsch-getränkt. Der entstandene MMC wurde aus der Preßform entnommen und überschüssiges Aluminium wurde durch maschinelle Bearbeitung entfernt. Das (in dem Kasten befindliche) Magnesium wurde in rechteckige Stangen geschnitten und seine Zugfestigkeit und sein Modul wurden ermittelt.
Zu Vergleichszwecken wurde ein MMC durch das vorstehende Verfahren aus einem Vlies aus zufällig orientierten kurzen (bis zu 5 cm) Aluminiumoxidfasern mit einem mittleren Durchmesser von 3 Mikrometern hergestellt. Um eine Beschädigung der Fasern bei der Verdichtung zu vermeiden, wurde der Volumenanteil an Fasern auf 20% begrenzt. Resultate End-Zugfestigkeit (MPa) Modul (GPa)

Claims

1. Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit einem Metallmatrix-Material, in dem ein Faserprodukt eingebettet ist, wobei das Faserprodukt eine Vielzahl von im wesentlichen ausgerichteten und nominell endlosen Fasern aus anorganischem Oxid mit einem unter 10 Mikrometern liegenden mittleren Durchmesser enthält, wobei der Grad der Nicht-Ausrichtung von einigen der Fasern für eine Verschlingung von Fasern sorgt, die dem erwähnten Produkt seitliche Kohäsion verleiht.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem die seitliche Kohäsion in dem Faserprodukt derart ist, daß das Produkt in einer Richtung, die senkrecht zu der allgemeinen Richtung der Faserausrichtung verläuft, eine Zugfestigkeit von mindestens 25.000 Pa zeigt.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens 90% der Fasern aus anorganischem Oxid in der allgemeinen Richtung der Ausrichtung der Fasern im wesentlichen parallel sind.

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der mittlere Durchmesser der Fasern aus anorganischem Oxid unter 5 Mikrometern liegt.

5. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Volumenanteil der Fasern 10% bis 60% beträgt.

6. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fasern aus anorganischem Oxid Aluminiumoxidfasern sind.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, bei dem die scheinbare Dichte der Fasern 1,75 bis 3,3 g/mL beträgt.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem die Fasern eine Zugfestigkeit von mehr als 1500 MPa und einen Modul von mehr als 150 GPa haben.

9. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Matrixmetall Aluminium oder eine Legierung von Aluminium ist.

10. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Matrixmetall Magnesium oder eine Legierung von Magnesium ist.

11. Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, der aus einem Matrixmetall mit einer Dichte von weniger als 2 g/mL besteht, in dem Aluminiumoxidfasern mit einer scheinbaren Dichte von 2 g/mL oder weniger eingebettet sind, wobei der Verbundwerkstoff eine scheinbare Dichte von weniger als 2 g/mL hat.

12. Vorformling, der aus einem mit einem Bindemittel zusammengebundenen Faserprodukt besteht, wobei das Faserprodukt eine Vielzahl von im wesentlichen ausgerichteten und nominell endlosen Fasern aus anorganischem Oxid mit einem unter 10 Mikrometern liegenden mittleren Durchmesser enthält, wobei der Grad der Nicht-Ausrichtung von einigen der Fasern für eine Verschlingung von Fasern sorgt, die dem erwähnten Produkt seitliche Kohäsion verleiht.

13. Vorformling nach Anspruch 12, bei dem die seitliche Kohäsion in dem Faserprodukt derart ist, daß das Produkt in einer Richtung, die senkrecht zu der allgemeinen Richtung der Faserausrichtung verläuft, eine Zugfestigkeit von mindestens 25.000 Pa zeigt.

14. Vorformling nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem das Bindemittel ein anorganisches Bindemittel ist.

15. Vorformling nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Volumenanteil der Fasern 10% bis 60% beträgt.

16. Vorformling nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem der mittlere Durchmesser der Fasern unter 5 Mikrometern liegt.

17. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs nach Anspruch 1, bei dem aus den mit einem Bindemittel zusammengebundenen Fasern aus anorganischem Oxid ein Vorformling geformt und der Vorformling mit einem flüssigen Metallmatrix-Material getränkt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Metallmatrix- Verbundwerkstoff durch Quetschtränkung des Vorformlings hergestellt wird.