DE3703967A1

DE3703967A1 - Mit einem ueberzug versehene kohlenstoff- und graphitfasern oder -faeden

Info

Publication number: DE3703967A1
Application number: DE19873703967
Authority: DE
Inventors: Diethelm Dr Bitzer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-02-10
Filing date: 1987-02-10
Publication date: 1988-08-18

Description

Die Erfindung betrifft mit einem Überzug versehene Kohlenstoff und Graphitfasern oder -fäden und deren Verwendung zum Verstär ken der metallischen Matrix.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kohlenstoff- oder Graphitmaterial mit einem Überzug zu versehen, der es erlaubt, Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden als Verstärkungsmaterial der me tallischen Matrix zu verwenden, ohne daß sich dabei die Kohlen stoffasern im Metall lösen oder Metallcarbide gebildet werden.

Es wurde versucht, Aluminiumoxid oder andere Oxide und Silizium carbid als Reaktionsbarriere auf den Kohlenstoffasern zu verwen den (G.M.Jenkins and K.Kawamura, "Polymeric Carbons", page 156- 157, Cambridge, University Press, 1976 und Büchner, Schliebs, Winter, Büchel,"Industrielle Anorganische Chemie", S. 380, 2. Auflage, D-6940 Weinheim, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1986). Das Siliziumcarbid auf den Kohlefasern wird durch Abscheidung von SiC im CVD-Verfahren durch pyrolytische Zersetzung von Si lanen erhalten ("Industrielle Anorganische Chemie" a.a.O. S.380 und DE-OS 34 24 166).

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß sich Siliziumcarbid preis wert und schonend für die sehr verletzliche Kohlenstoffaser auf bringen läßt, wenn das Siliziumcarbid nicht direkt auf die Kohle faser aufgebracht wird, sondern wenn die Kohlefaser zuerst einen Überzug aus hexagonalem Bornitrid erhält, der die Kohlefasern schützt und erst danach die so behandelten Kohlefasern mit SiC bedeckt werden. Vorzugsweise wird auf die Kohlefasern, die an der Faseroberfläche das schützende hexagonale Bornitrid enthal ten, Siliziumcarbidfeinstpulver oder Siliziumcarbidpulver im Gemisch mit hexagonalem Bornitrid aufgebracht. Dadurch wird das aufwendige Aufbringen von SiC im CVD-Verfahren vermieden, bei dem durch geeignete Abscheidungsbedingungen erreicht wird, daß alle Monofilamente einheitlich beschichtet werden ("Industrielle Anorganische Chemie", a.a.O. S.380). Selbstverständlich kann das Aufbringen von SiC auf mit hexagonalem Bornitrid überzogenen Koh lenstoffasern auch durch (anschließende) thermische Zersetzung von Silanen im CVD-Verfahren erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch variiert werden, indem mit hexagonalem Bornitrid be handelte Kohlenstoff- oder Graphitfasern oder -fäden zu Vliesen, Geweben, Gewirken oder sonstigen Gebilden verarbeitet und an schließend mit Siliziumcarbid und hexagonalem Bornitrid behan delt werden. Das Siliziumcarbid wird besonders bevorzugt in Form von ultrafeinem Siliziumcarbid (z.B. Typ UF-15 der Lonza Werke GmbH, D-7890 Waldshut-Tiengen) einer Korngröße von maximal 1,7µ verwendet.

Die verwendeten Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden sind bekannt. Deren Herstellung ist beispielsweise beschrieben in "Temperaturbeständige Faserstoffe aus anorganischen Polymeren" von Hans Dawczynski, S.8-80, Berlin, Akademie-Verlag, 1974 und "Chemiefasern" von Z.A.Rogowin, S.366-373, Stuttgart, Georg Thieme Verlag, 1982. Die Kohlenstoffasern werden beispielsweise hergestellt durch schonende Pyrolyse von Viskose, Polyacryl nitril, Teer, Pech, Polyamid, Lignin, Polyvinylalkohol, Polyamid usw. Die Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden können auch in Form von Kurzfasern (chopped carbon fibres) erfindungsgemäß beschichtet und als Verstärkungsmaterial verwendet werden.

Das erfindungsgemäß verwendete hexagonale Bornitrid ist be schrieben in "Hexagonales Bornitrid", Ber.Dt.Keram.-Ges. 56 (1979) Nr. 1, Seite 1-28 und in "Comprehensive Inorganic Chemistry", Volume 1, page 916-919, Oxford, PergamonPress Ltd., 1973:

Erfindungsgemäß wird in einer ersten Verfahrensstufe das hexa gonale Bornitrid in einer Menge von 0,01-7 Gew.% auf die Koh lenstoff- und Graphitfasern oder -fäden im Luftstrom oder im Wirbelschichtverfahren aufgebracht. Danach wird dann auf diese durch hexagonales Bornitrid geschützte Faser, ebenfalls im Luft strom oder im Wirbelschichtverfahren, vorzugsweise 0,01-4 Gew.% ultrafeines Siliziumcarbid, beispielsweise vom Typ UF-15 der Lonza Werke GmbH, D-7890 Waldshut-Tiengen gebracht. Die Ge wichtsangaben von hexagonalem Bornitrid und ultrafeinem Sili ziumcarbid beziehen sich jeweils auf das Gewicht der Kohlen stoff- und Graphitfasern. Die Gewichtsmenge des Überzuges auf den Fasern, also die Gewichtsmenge von hexagonalem Bornitrid und ultrafeinem Siliziumcarbid zusammen beträgt 0,01-8 Gew.%, vorzugsweise 0,1-4 Gew.% . Nach dem Aufbringen des hexago nalen Bornitrids auf die Fasern oder Fäden wird dieses gege benenfalls aufgewalzt, beispielsweise indem sie über Walzen, z.B. Gummiwalzen geführt werden. Die mit hexagonalem Bornitrid überzogenen Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden werden danach im Luftstrom oder im Wirbelschichtverfahren mit ultra feinem Siliziumcarbid oder einem Gemisch von hexagonalem Bor nitrid und ultrafeinem Bornitrid bedeckt. Diese zweite Schicht mit Siliziumcarbid kann auch im CVD-Verfahren durch pyrolytische Zersetzung von Silanen nach an sich bekannten Verfahren auf die mit hexagonalem Bornitrid überzogenen Kohlenstoffasern aufge bracht werden. Die mit dem erfindungsgemäßen Überzug versehenen Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden dienen als Verstär kungsmaterial einer Metallmatrix.

Die kohlenstoffaserverstärkte Metallmatrix, insbesondere die faserverstärkte Leichtmetallmatrix von beispielsweise Aluminium und Magnesium läßt sich beispielsweise in der Verkehrstechnik, im Automobilbau, im Leichtwaggonbau, in der Luftfahrttechnik, im Maschinenbau usw. anwenden.

Das Metall wird vorzugsweise durch Heißpressen von thermisch gespritztem, aufgewalztem, kontinuierlich schmelzinfiltriertem Vormaterial mit den erfindungsgemäß behandelten Fasern oder Fäden verarbeitet.

Beispiel

Ein Kohlenstoff-Faserstrang von 800 g Gewicht (Tenax HTA der Enka AG, D-5600 Wuppertal 1, der aus ca. 12000 Einzelfasern besteht und der ohne eine organische Präparation ist) wird im Luftstrom mit 10 g hexagonalem Bornitrid überzogen. Dann wird dieser überzogene Faserstrang zweimal über eine Gummi walze gezogen und anschließend im Luftstrom mit einem aufge wirbelten Gemisch von 4 g ultrafeinem Siliziumcarbid (Typ UF-15 der Lonza GmbH a.a.O.) und 3 g hexagonalem Bornitrid behandelt.

Der mit hexagonalem Bornitrid behandelte Kohlenstoffaser strang kann auch aufgeteilt, beispielsweise in etwa 10 Stränge, verzwirnt, verwoben und danach das Gewebe mit ultrafeinem Silizium carbid behandelt werden.

Claims

1. Mit einem anorganischen Überzug versehene Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden, dadurch gekennzeichnet, daß diese 0,01-8 Gew.%, bezogen auf die Kohlenstoff- oder Graphitfasern oder -fäden, hexagonales Bornitrid und Silizium carbid auf der Oberfläche der Fasern oder Fäden enthalten.

2. Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf der Ober fläche 0,1-4 Gew.% hexagonales Bornitrid und Siliziumcarbid enthalten.

3. Verfahren zur Herstellung eines Überzuges von hexagonalem Bornitrid und Siliziumcarbid auf der Oberfläche von Kohlenstoff und Graphitfasern oder -fäden nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern oder Fäden in einem ersten Verfahrensschritt mit hexagonalem Bornitrid und danach mit Siliziumcarbid oder einem Gemisch aus hexagonalem Bornitrid und Siliziumcarbid bedeckt oder überzogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die mit hexagonalem Bornitrid überzogenen Fasern oder Fäden zu Vliesen, Geweben, Gewirken oder sonstigen Gebilden ver arbeitet und erst danach das Siliziumcarbid oder das Gemisch aus Siliziumcarbid und hexagonalem Bornitrid aufgebracht wird.

5. Verwendung der mit dem Überzug versehenen Kohlenstoff- und Graphitfasern oder -fäden nach Anspruch 1-4, dadurch ge kennzeichnet, daß diese zur Verstärkung einer Metall matrix aus Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel, Zink oder deren Legierungen verwendet werden.