DE3731823A1

DE3731823A1 - Verfahren zur herstellung eines faseraggregats und vorrichtung zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE3731823A1
Application number: DE19873731823
Authority: DE
Inventors: Tomohito Ito; Renichi Isomura; Hidetoshi Hirai; Fukuo Gomi
Original assignee: Toyoda Jidoshokki Seisakusho KK; Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1986-09-24
Filing date: 1987-09-22
Publication date: 1988-04-07
Also published as: DE3731823C2; US4874495A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Faseraggregats und eine Vorrichtung zur Her stellung desselben, insbesondere ein Verfahren und eine Vor richtung zur Schaffung eines optimalen zylindrischen Faser aggregats, in dem viele Fasern in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichtet sind, insbesondere für die Verwendung bei faserverstärktem Metall.

Ein Faseraggregat, das kurze Fasern oder Whisker enthält, wurde bisher durch die folgenden Verfahren hergestellt:

Es wurde ein Zentrifugalbildungsverfahren benutzt, um das Faseraggregat zu bilden (Japanische veröffentlichte ungeprüfte Patentanmeldung Nr. 65 200/1985). Nach diesem Ver fahren wird eine Fasersuspension in einen porösen zylindri schen Behälter mit einer Auskleidung aus einer Filtrations membran eingebracht, und das Filtrat wird durch die Zentrifu galkraft unter Bildung eines Faseraggregats mit einem Hohlraum abgeleitet.

Zur Bildung des Faseraggregats wurde auch ein Saugbildungs verfahren angewandt. Nach diesem Verfahren wird eine in einen Zylinder eingeführte Fasersuspension durch einen Kolben unter Druck gesetzt und dabei das Filtrat durch eine Filtersubstanz vom Zylinderboden kräftig abgesaugt.

Das durch die oben angegebenen Bildungsverfahren erhaltene Faseraggregat hat jedoch viele in zwei- oder dreidimensionaler Richtung ausgerichtete Fasern, und das Faservolumenverhältnis ist gering. Demgemäß zeigt das Aggregat ein sehr schlechtes Resultat bei Verwendung für faserverstärkte Metalle, die den Zweck hat, die Festigkeit zu verbessern und die Wärmeausdeh nung in Grenzen zu halten.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der folgenden techni schen Idee, ein Faseraggregat zu schaffen, in dem viele Fasern eindimensional ausgerichtet sind:

Eine Fasersuspension, in der kurze Fasern oder Whisker in einem dielektrischen fluiden Medium dispergiert sind, wird in einen Raum zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode gegossen, an die eine Hochspannung ange legt ist, um die Fasern auszurichten. Wenn die Fasersuspension in den Raum gegossen wird, werden die einzelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium so ausgerichtet, daß ihre einen Enden auf die positive Elektrode und die anderen Enden auf die negative Elektrode zeigen. Dann werden die elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehaltung der Ausrichtung angehäuft.

Es treten jedoch viele Probleme auf, wenn man diese grund legende Technologie bei einem industriellen Betrieb anwenden will.

Wenn beispielsweise die Fasersuspension zu ihrer elektro statischen Ausrichtung in ein elektrisches Feld eingegossen wird, das zwischen parallel angeordneten positiven und negati ven Elektroden erzeugt wird, erhält man ein Faseraggregat, in dem viele Fasern in eindimensionaler Richtung, d.h. in linearer Richtung orientiert sind. Dieses Faseraggregat mag brauchbar sein, aber es gibt viele säulen- oder zylinderförmige funktionelle Teile, welche die Verwendung von faserverstärktem Metall erfordern. Das Faseraggregat mit linear ausgerichteten Fasern erfüllt nicht die an säulen- oder zylinderförmige funk tionelle Teile zu stellenden Anforderungen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zylindrisches Faseraggregat zu schaffen, in dem viele unzusammen hängende Fasern in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerich tet sind.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2.

Fig. 2 ist eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzug ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt.

Fig. 4 ist eine teilweise vereinfachte Ansicht einer bevor zugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die vorliegende Erfindung benutzt zur Lösung der oben genannten Probleme ein neues Verfahren mit den folgenden Stufen:

Eine Dispergierungsstufe der Dispergierung von Fasern in der Form von kurzen Fasern, Whiskern oder einem Gemisch daraus in einem dielektrischen Medium;
eine Ausrichtungsstufe der Anordnung des dielektrischen fluiden Mediums mit den darin dispergierten Fasern in einem vertikal-zylindrischen Raum mit Paaren vertikal verlaufender Elektroden eines Typs und eines anderen Typs, an die eine Hochspannung angelegt wird, wodurch die einzelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium in der Tangentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet werden; und
eine Ansammlungsstufe der Ansammlung der elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehaltung der Ausrichtung.

Das wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung sind insbesondere die Elektroden für die elektrostatische Faser ausrichtung. Die Elektroden sind in dem vertikal-zylindrischen Raum in der radialen Richtung des Umfangs angeordnet und er strecken sich auch in der vertikalen Richtung. Die Anzahl der Pole ist nicht präzise auf eine bestimmte Zahl beschränkt, jedoch ist die Anzahl der positiven Elektroden und die Anzahl der negativen Elektroden gleich, und die positiven Elektroden und negativen Elektroden sind abwechselnd in der Radialrich tung des Umfangs angeordnet. Die am meisten bevorzugte Anord nung ist die, bei welcher der vertikal-zylindrische Raum durch eine geradzahlige Menge Elektroden in horizontaler Ebene gleichmäßig eingeteilt ist. Mit anderen Worten sind die Abmessungen der durch die Elektroden getrennten, sektor förmigen Abschnittsräume angenähert gleich, so daß die Stärke aller in den Abschnitten erzeugten elektrischen Felder gleich mäßig wird.

Die Elektroden sind vorzugsweise hergestellt in Form eines Blattes, eines mehrfach angeordneten Drahtes, eines Netzes oder einer Kombination aus diesen. Die Elektroden werden vorzugsweise möglichst dünn ausgebildet, da sie so angeordnet werden, daß sie die ausgerichteten Fasern im vertikal-zylindrischen Raum trennen. Die Elektroden in Gestalt des mehrfach angeordneten Drahtes sind derart, daß mehrere dünne Drähte mit bestimmtem Abstand zwischen jedem Draht längsverlaufend ausgebildet sind oder Drähte in gleicher Weise wie die längsverlaufend gebil deten Drähte horizontal ausgebildet sind.

Ferner sollte das Unterteil des vertikal-zylindrischen Raums, d.h. die erwähnten, auf einer wenigstens der Höhe der angesammelten sedimentierten Fasern entsprechenden Höhe ange ordneten Elektroden, vorzugsweise vergleichsweise dünne Nadel kabelelektroden oder netzförmige Elektroden aufweisen, um den getrennten Anteil an den ausgerichteten Fasern zu verringern.

Zusätzlich zu den vorgenannten Stufen, nämlich
einer Dispergierungsstufe der Dispergierung von Fasern in der Form von kurzen Fasern, Whiskern oder einem Gemisch daraus in einem dielektrischen fluiden Medium,
einer Ausrichtungsstufe zur Anordnung des dielektrischen fluiden Mediums mit den darin dispergierten Fasern in einem vertikal-zylindrischen Raum mit Paaren vertikal verlaufender Elektroden des einen Typs und des anderen Typs, an die eine Hochspannung angelegt wird, wodurch die einzelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium in der Tangentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet werden und
einer Ansammlungsstufe zur Ansammlung der elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehaltung der Ausrichtung,
benutzt die vorliegende Erfindung ferner die folgenden technischen Mittel:
eine Elektrodendreheinrichtung für die langsame Drehung der Elektroden um die Mittellinie des vertikal-zylindrischen Raums als Mittelachse und
eine Elektrodenlageänderungseinrichtung zur relativen Änderung der Positionen der Elektroden in der Längsrichtung des vertikal-zylindrischen Raums, um den lichten Abstand zwischen dem Rand des unteren Endes der Elektroden und der angesammelten Faserschicht auf einem bestimmten Wert zu halten.

Das wichtige Merkmal der vorliegenden Erfindung sind insbesondere die Elektroden für die elektrostatische Ausrich tung der Fasern. Die nadelförmigen oder netzförmigen Elektro den oder die Elektroden einer Gestalt, die aus den genannten Formen kombiniert ist, werden in dem vertikal-zylindrischen Raum in der radialen Richtung des Umfangs angeordnet und er strecken sich auch in vertikaler Richtung. Die Mengenanzahl der Pole ist nicht präzise auf eine bestimmte Menge beschränkt, jedoch ist die Anzahl der positiven Elektroden und die Anzahl der negativen Elektroden gleich, und die positiven Elektroden und negativen Elektroden sind in Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet. Die am meisten bevorzugte Anordnung ist die, bei welcher der vertikal-zylindrische Raum durch eine gerade Anzahl Elektroden in horizontaler Ebene gleichmäßig eingeteilt ist. Mit anderen Worten sind die Abmessungen der durch die Elektro den unterteilten sektorförmigen Abschnittsräume etwa gleich, so daß die Stärke der in den Abschnitten erzeugten elektrischen Felder gleichmäßig wird.

Da die vorgenannten Elektroden die Trennung der ausge richteten Fasern in dem vertikal-zylindrischen Raum vermeiden sollen, werden sie kontinuierlich oder intermittierend gedreht, um ihre Positionen in der horizontalen Ebene frei zu verschieben und die Trennung der ausgerichteten Fasern und eine ungleichmäßige Faserdichte in einem Formkörper infolge der Faseransammlung um die Elektroden zu vermeiden. Gleichzeitig werden die Elektroden in vertikaler Richtung bewegt, um ihre Positionen in dem vertikal-zylindrischen Raum in Längsrichtung entsprechend der Höhe der angesammelten Faserschicht zu ver schieben, so daß eine Störung zwischen den rotierenden Elek troden und der Faserschicht dadurch vermieden werden kann, daß man den Abstand zwischen dem unteren Rand der rotierenden Elektroden und der angesammelten Faserschicht beibehält.

Die Elektroden können ferner nicht nur in einer Richtung gedreht werden, sondern sie können auch innerhalb eines be stimmten Drehwinkels in Richtung der Uhrzeigerdrehung und ent gegen der Uhrzeigerdrehung gedreht werden. Die Längsbewegung der Elektroden in dem vertikal-zylindrischen Raum kann durch Bewegung des vertikal-zylindrischen Raums selbst ersetzt werden.

Die Elektroden werden ferner entsprechend der Höhe der angesammelten Faserschicht angehoben, um eine Störung der auf der Filtersubstanz durch Brückenbildung und Sedimentation gebildeten Faserschichtansammlung infolge der Beeinträchtigung durch die rotierenden Elektroden zu vermeiden. So wird der untere Rand der Elektroden immer in einem vorbestimmten lichten Abstand von der Faserschicht gehalten.

Die Oberfläche der positiven und negativen Elektroden kann mit einem Diaphragma bedeckt sein, um kurzgeschlossene Fasern zu vermeiden und die turbulente Strömung der Fasersus pension in Grenzen zu halten. Das Diaphragma kann ein Filter papier sein, vorzugsweise aber eine Ionenaustauschmembran, welche die turbulente Strömung der Filtersuspension vermeidet. In diesem Fall ist die Oberfläche der positiven Elektroden mit einer Anionaustauschmembran und die Oberfläche der nega tiven Elektroden mit einer Kationaustauschmembran bedeckt. So kann die Störung der Fasersuspension durch Ionen geschickt vermieden werden, da die Anionaustauschmembran den Übergang oder das Eindringen von an den positiven Elektroden erzeugten Kationen in das Gebiet vermeidet, wo die Faserausrichtung erfolgt. In ähnlicher Weise verhindert die Kationaustausch membran den Übergang oder das Eindringen von an den negativen Elektroden erzeugten Anionen in die Zone, in der die Faseraus richtung erfolgt.

Die Herstellung des Faseraggregats beginnt mit dem Ansetzen einer Fasersuspension durch Dispergieren von Fasern, wie z.B. kurzen Fasern oder Whiskern, in einer dielektrischen Flüssig keit.

Als die vorgenannten Fasern können alle Fasern dienen, die in die Kategorien der kurzen Fasern und Whisker fallen. Sie sind materialmäßig nicht beschränkt, solange sie in einer dielektrischen Flüssigkeit zur elektrostatischen Ausrichtung befähigt sind, wenn sie als Fasersuspension in ein bestimmtes elektrisches Feld eingegossen werden. Das Fasermaterial umfaßt beispielsweise Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid- Siliziumdioxid, Berylliumoxid, Kohlenstoff, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Glas und Metalle. Zwei oder mehrere der vor genannten Fasern können gemischt eingesetzt werden.

Das dielektrische fluide Medium bedeutet ein fluides Medium, das beim Anlegen einer Spannung dielektrische Eigen schaften zeigt. Beispiele für dielektrische Flüssigkeiten sind Tetrachlorkohlenstoff, Fluor- und Chlor-substituierte Kohlenwasserstoffe, n-Hexan und Cyclohexan. Davon ist Tetra chlorkohlenstoff die am meisten bevorzugte dielektrische Flüssigkeit. Fluor- und Chlor-substituierte Kohlenwasserstoffe werden unter Handhabungs- und Sicherheitsgesichtspunkten bevorzugt. Ferner wird vorzugsweise eine geeignete Menge eines nichtionischen oberflächenaktiven Mittels zugesetzt, um die Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium möglichst gleich mäßig zu dispergieren.

Der nächste Schritt zur Herstellung des Faseraggregats ist die Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der Mehr zahl der paarweisen positiven und negativen Elektroden, die in dem vertikal-zylindrischen Raum abwechselnd in der Radial richtung des Umfangs angeordnet sind. Dann wird die Faser suspension in das elektrische Feld eingegossen, um die Fasern in der Tangentialrichtung des Umfangs so auszurichten, daß ein Ende der Fasern auf eine positive Elektrode zeigt und das andere Ende der Fasern auf eine negative Elektrode zeigt. Gleichzeitig werden die Fasern unter Brückenbildung sedimentiert.

Die Stärke des durch Anlegen einer Spannung an die positiven und negativen Elektroden erzeugten elektrischen Feldes beträgt gewöhnlich etwa 0,5 bis 5 kv/cm. Wenn die Feldstärke etwa 0,2 kv/cm oder weniger beträgt, werden die Fasern nicht zufrie denstellend elektrostatisch ausgerichtet. Wenn die Feldstärke etwa 10 kv/cm oder mehr beträgt, nimmt die Genauigkeit der Faserausrichtung infolge des Auftretens von Störungen in der Fasersuspension ab. Die am meisten bevorzugte elektrische Feldstärke beträgt etwa 1 bis 2 kv/cm. Zur Erzeugung des elek trischen Feldes kann nicht nur Gleichstrom (Gleichspannung), sondern auch Wechselstrom (Wechselspannung) dienen. Die am meisten bevorzugte elektrische Feldstärke hängt jedoch ab von den eingesetzten Fasern, der dielektrischen Eigenschaft des eingesetzten dielektrischen fluiden Mediums und der Dicke des herzustellenden Faseraggregats.

Die ausgerichteten und sedimentierten Fasern werden anschließend im Unterteil des vertikal-zylindrischen Raums angesammelt. Das Eingießen der Fasersuspension wird solange fortgesetzt, bis das Aggregat eine gewünschte Dicke erreicht. Etwa die gleiche Flüssigkeitsmenge wie die Menge der einge gossenen Suspension wird durch den Boden des Behälters abge zogen. Beim Abziehen ist es wichtig, Vorkehrungen gegen eine turbulente Strömung zu treffen. Die Flüssigkeit wird vorzugs weise natürlich oder durch Saugen abgezogen, nachdem die Strö mung so geregelt wurde, daß sie frei von mechanischer Störung ist.

Das fluide Medium wird wirksam durch die am Boden des vertikal-zylindrischen Raums angeordnete Filtersubstanz abge zogen, um das Entweichen von Fasern und eine Turbulenz zu vermeiden und die Strömungsstärke in Grenzen zu halten. Als Filtersubstanz kann eine poröse Keramik dienen.

Das so angesammelte zylindrische Faseraggregat wird aus dem Behälter entnommen, nachdem das restliche dielektrische Fluid vollständig abgezogen wurde. Es dient als Faserform körper für ein funktionelles Teil aus faserverstärktem Metall in säulenförmiger oder zylindrischer Gestalt.

Die vorliegende Erfindung benutzt ein neues Verfahren aus den folgenden Stufen:
Eine Dispergierungsstufe zur Dispergierung von Fasern in der Form von kurzen Fasern, Whiskern oder einem Gemisch daraus in einem dielektrischen fluiden Medium,
eine Ausrichtungsstufe zur Anordnung des dielektrischen fluiden Mediums mit den darin dispergierten Fasern in einem vertikal-zylindrischen Raum mit Paaren vertikal verlaufender Elektroden eines Typs und eines anderen Typs, an die eine Hochspannung angelegt wird, wodurch die einzelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium in der Tangentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet werden und
eine Ansammlungsstufe der Ansammlung der elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehaltung der Ausrichtung.

Demgemäß werden die folgenden ausgezeichneten Vorteile bei der Anwendung auf die Herstellung von faserverstärkten Metall-Formkörpern für funktionelle, säulen- oder zylinder förmige Teile erreicht:

1. Da viele der unzusammenhängenden Fasern in dem faser verstärkten Metall in der Tangentialrichtung des Umfangs aus gerichtet sind, halten die Fasern in zufriedenstellender Weise die Beanspruchung in Tangentialrichtung des Umfangs sicher aus. Im Ergebnis nimmt die Festigkeit des faserverstärkten Metalls scharf zu. Da ferner die Richtung der Faserorientie rung und die Richtung der Wärmeausdehnung übereinstimmen, kann die Wärmeausdehnung des faserverstärkten Metalls wirksam in Grenzen gehalten werden.
2. Ein faserverstärktes Metall mit einer in dessen Umfangs richtung gewundenen, zusammenhängenden Faser ist gegen thermi sche Wechselbeanspruchung schwach. Es zeigt eine Faserablösung von dem Matrixmetall und eine Faserverformung, die aus dem Wärmeausdehnungsunterschied zwischen der Faser und dem Matrixme tall resultiert. Andererseits zeigt das faserverstärkte Metall mit in Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichteten, unzusam menhängenden Fasern ein solches Problem nicht, da das Matrix metall um die Endoberflächen der Fasern die aus der Wärmeaus dehnungsdifferenz zwischen der Faser und dem Matrixmetall resultierende Spannung absorbiert.
3. Das faserverstärkte Metall mit in der Tangential richtung des Umfangs ausgerichteten, unzusammenhängenden Fasern, in dem die vorgenannte Beanspruchungsrichtung und die Faserorientierungsrichtung übereinstimmen, zeigt weit bessere Festigkeits- und Anti-Wärmeausdehnungseigenschaften als das faserverstärkte Metall mit in zwei oder drei Dimensionen regel los ausgerichteten Fasern.

Da die Vorrichtung zur Herstellung des Faseraggregats ferner in dem vertikal-zylindrischen Raum in der Radialrich tung des Umfangs angeordnete Elektroden in Gestalt einer dünnen Folie, eines dünnen Netzes oder eines Nadelkabels hat, um die Trennung der in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichteten Fasern soweit wie möglich zu vermeiden, wird mit ihr eine bemerkenswerte Verbesserung der Festigkeit des faserverstärkten Metalls erreicht.

Das Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats nach der vorliegenden Erfindung benutzt ferner die folgenden zusätz lichen technischen Einrichtungen:
Eine Elektrodendreheinrichtung zur Drehung der Elektroden in dem vertikal-zylindrischen Raum und
eine Einrichtung zur Änderung der Elektrodenpositionen, die gleichzeitig mit der Elektrodendreheinrichtung arbeitet und die Positionen der Elektroden in Längsrichtung des verti kal-zylindrischen Raums entsprechend der Höhe des angesammel ten Faserschichtaggregats ändert
neben den folgenden oben genannten Stufen:
Einer Dispergierungsstufe zur Dispergierung von Fasern in der Form von kurzen Fasern, Whiskern oder einem Gemisch daraus in einem dielektrischen fluiden Medium,
einer Ausrichtungsstufe zur Anordnung des dielektrischen fluiden Mediums mit den darin dispergierten Fasern in einem vertikal-zylindrischen Raum mit Paaren vertikal verlaufender Elektroden eines Typs und eines anderen Typs, an die eine Hochspannung angelegt wird, wodurch die einzelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium in der Tangentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet werden, und
einer Ansammlungsstufe zur Ansammlung der elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehaltung ihrer Ausrichtung.

Daher ergibt sich der folgende ausgezeichnete Vorteil durch Kombination der oben erwähnten Vorteile (2) und (3) bei der Anwendung auf die Herstellung von faserverstärkten Metall formkörpern für säulen- oder zylinderförmige, funktionelle Teile:

Da viele unzusammenhängende Fasern in dem faserverstärkten Metall in befriedigender Weise in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichtet sind und da nicht ausgerichtete Fasern getrennt und örtlich beschränkt sind, halten die Fasern die Beanspruchung in der Tangentialrichtung des Umfangs sicher aus. Im Ergebnis steigt die Festigkeit des faserverstärkten Metalls scharf an. Da ferner die Richtung der Faserorientie rung und die Richtung der Wärmeausdehnung übereinstimmen, kann die Wärmeausdehnung des faserverstärkten Metalls in wirksamer Weise in Grenzen gehalten werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an bevorzugten Ausführungsformen erläutert.

Erste bevorzugte Ausführungsform

Zur Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Faseraggregats nach der vorliegenden Erfindung dient eine Vorrichtung, die in Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellt ist. In den Figuren bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Behälter mit einem Boden und einem Außenzylinder 1 a. Ein Innenzylinder 2, der konzentrisch zu dem Außenzylinder 1 a angeordnet ist, wird beispielsweise durch drei Beine 2 a auf der Bodeninnenfläche des mit einem Boden versehenen Behälters 1 abgestützt. Zwischen dem Außenzylinder 1 a und dem Innenzylinder 2 ist ein vertikal zylindrischer Raum 3 als Faserausrichtungsbereich gebildet. In dem vertikal-zylindrischen Raum 3 sind beispielsweise drei Paare aus positiven Elektroden 4 und negativen Elektroden 5 abwechselnd so in der Radialrichtung des Umfangs angeordnet, daß sie den vertikal-zylindrischen Raum 3 in sechs gleiche Teile unterteilen. Die positiven Elektroden 4 und die negativen Elektroden 5 sind blatt- oder netzförmig und erstrecken sich vertikal.

Das Unterteil der positiven Elektroden 4 und negativen Elektroden 5, nämlich wenigstens das der Höhe der sedimentier ten und angesammelten Fasern entsprechende Teil hat die Gestalt 6 eines verhältnismäßig dünnen Nadelkabels. Das untere Ende der positiven Elektroden 4 und negativen Elektroden 5 schließt sich an eine Filtersubstanz 7 an, die im Unterteil des gesamten vertikal-zylindrischen Raums 3 angeordnet ist. Das Oberteil der positiven Elektroden 4 und negativen Elektro den 5 ist durch Halter (nicht dargestellt) in einem vertikal gezogenen Zustand abgestützt. Die Oberfläche der positiven Elektroden ist mit einer Anionaustauschmembran (nicht darge stellt) bedeckt, und die Oberfläche der negativen Elektroden 5 ist mit einer Kationaustauschmembran (nicht dargestellt) be deckt. Die positiven Elektroden 4 und die negativen Elektro den 5 sind an eine Spannungsanlegevorrichtung (nicht darge stellt) angeschlossen, um zwischen den positiven Elektroden 4 und den negativen Elektroden 5 ein bestimmtes elektrisches Feld zu erzeugen.

An dem Boden des mit einem Boden ausgestatteten Behäl ters 1 ist eine Ablaufeinrichtung angeordnet, die aus einem an eine Absaugapparatur anschließbaren Leitungsrohr 8 und einem Hahn 9 besteht.

Die positive Elektrode 4 und die negative Elektrode 5 sind bei dieser Vorrichtung blattförmig in einer Breite von 15 mm und mit regelmäßigen Zwischenräumen abwechselnd ange ordnet. Die eingesetzte Gesamtzahl der Elektroden beträgt drei für jeden Elektrodentyp, und der Zwischenraum zwischen den benachbarten Elektroden beträgt in dem mittleren Abschnitt 55 mm.

Einer Tetrachlorkohlenstoff aufweisenden dielektrischen Flüssigkeit werden kurze Aluminiumoxid-Fasern ohne Oberflächen behandlung (mittlerer Faserdurchmesser: 3 µm; mittlere Faser länge: 10 bis 5000 µm) und eine sehr kleine Menge eines nicht ionischen oberflächenaktiven Mittels zugesetzt. Das Gemisch wird zu einer Fasersuspension verrührt, in der die Fasern dis pergiert sind.

Ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von etwa 1 kv/cm wird zwischen den positiven und negativen Elektroden der Vorrichtung erzeugt. Die Fasersuspension wird von der Oberseite des vertikal-zylindrischen Raums 3 in alle durch die positiven Elektroden 4 und negativen Elektroden 5 unterteilten Abschnitte eingegossen.

Die eingegossenen Fasern werden dielektrisch polarisiert und in der Tangentialrichtung des Umfangs elektrostatisch aus gerichtet. Dann bilden viele von ihnen Brücken, und ihre Massen nehmen zu. Dann werden sie sedimentiert, während sie die Ausrichtung in der Tangentialrichtung des Umfangs beibe halten.

Durch Ablaufen des Filtrats durch das Leitungsrohr 8 wer den den unter Brückenbildung ausgerichteten Fasern 10 nachfolgend auf der Filtersubstanz 7 angesammelt. Das Ablaufen des Fil trats erfolgt gleichzeitig mit dem Eingießen der Fasersuspen sion. Nachdem das Faseraggregat 11 in einer bestimmten Dicke gebildet ist, wird die restliche Flüssigkeit zwecks Heraus nahme des Filteraggregats 11 abgezogen.

Das Filteraggregat 11 hat eine zylindrische Gestalt, und viele Fasern sind in zufriedenstellender Weise in der Tangen tialrichtung des Umfangs ausgerichtet. Der innere Umfangs abschnitt der Faseraggregats 11 hat ein etwas größeres Faser volumenverhältnis als sein äußerer Umfangsabschnitt. Es kann jedoch ein Faseraggregat mit fast gleichmäßigem Faservolumen verhältnis dadurch gebildet werden, daß man eine Fasersuspen sion hoher Konzentration von der äußeren Umfangsfläche des vertikal-zylindrischen Raums 3 zuführt.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform entsteht durch den Flüssigkeitsabzug keine turbulente Strömung, weil die Filter substanz 7 in dem gesamten Unterteil des vertikal-zylindrischen Raums 3 angeordnet ist. So ist die Erzeugung eines Faseraggre gats möglich, in dem viele Fasern außerordentlich gut in Tan gentialrichtung des Umfangs ausgerichtet sind.

Da bei diesem Faseraggregat viele Fasern zufriedenstellend in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichtet sind, zeigt das faserverstärkte Metall eine größere Festigkeit und klei nere Wärmedehnung, wenn das Faseraggregat für ein faserver stärktes Metaii dient. Demgemäß wird das Faseraggregat zum Beispiel mit Vorteil für verschiedene Kolbentypen verwendet.

Zweite bevorzugte Ausführungsform

Diese bevorzugte Ausführungsform hat die gleiche Anord nung wie die erste bevorzugte Ausführungsform mit der nach folgend beschriebenen Abweichung:

Diese bevorzugte Ausführungsform verwendet zwei netzförmige positive Elektroden 4 und zwei netzförmige negative Elektroden 5, die mit regelmäßigen Zwischenräumen angeordnet sind, einen Fluor- und Chlor-substituierten Kohlenwasserstoff als dielek trische Flüssigkeit, Siliziumcarbid-Whisker (mittlerer Faser durchmesser: 0,7 µm; mittlere Faserlänge: 50 µm) und ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von 1,5 kv/cm. Das Netz hat eine Maschenweite der Klasse Nr. 4.

Ein Faseraggregat, in dem viele Fasern in zufriedenstel lender Weise in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerich tet sind, kann man auch nach dieser bevorzugten Ausführungsform erhalten.

Dritte bevorzugte Ausführungsform

Zur Ausführung des Verfahrens zum Herstellen eines Faseraggregats nach der vorliegenden Erfindung dient eine Vorrichtung, die in Fig. 3 und Fig. 4 schematisch dargestellt ist. In den Figuren bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Behälter mit einem Boden und einem Außenzylinder 2. Ein Innenzylinder 3, der konzentrisch zu dem Außenzylinder 2 angeordnet ist, wird beispielsweise durch drei Beine 3 a auf der Bodeninnenfläche des mit einem Boden versehenen Behälters 1 abgestützt. Zwischen dem Außenzylinder 2 und dem Innenzylinder 3 ist ein vertikal zylindrischer Raum 4 als Faserausrichtungszone gebildet. In dem vertikal-zylindrischen Raum 4 sind beispielsweise drei Paare aus positiven Elektroden 5 und negativen Elektroden 6 abwechselnd so in der Radialrichtung des Umfangs angeordnet, daß sie den vertikal-zylindrischen Raum 4 in sechs gleiche Teile unterteilen. Die positiven Elektroden 5 und negativen Elektroden 6 sind nadelförmige Elektroden und erstrecken sich vertikal.

Die Basisenden der positiven Elektroden 5 und der nega tiven Elektroden 6 sind in einem ringförmigen, isolierenden Haltekörper 7 eingebettet. Der Haltekörper 7 ist über ein Verbindungsteil 8 und eine Riemenscheibe 9 an ein Drehantriebs system angeschlossen. Der Haltekörper 7 kämmt bei 15 mit dem Innenzylinder 3, so daß er sich bei seiner Drehung hebt oder senkt.

Die Bezugszahl 10 bezeichnet eine Filtersubstanz, die über den gesamten Unterteil des vertikal-zylindrischen Raums 4 verteilt angeordnet ist. Die Filtersubstanz 10 bildet prak tisch den Boden des vertikal-zylindrischen Raums 4. Die in einer dielektrischen Flüssigkeit 11 dispergierten Fasern werden polarisiert und ausgerichtet, und auf der Filter substanz 10 bildet sich durch Brückenbildung und Sedimentation ein Faseraggregat 12.

Die Oberfläche der positiven Elektroden 5 ist mit einer Anionaustauschmembran (nicht dargestellt) bedeckt, und die Oberfläche der negativen Elektroden 6 ist mit einer Kation austauschmembran (nicht dargestellt) bedeckt. Die positiven Elektroden 5 und negativen Elektroden 6 sind zwecks Erzeugung eines bestimmten elektrischen Feldes zwischen den positiven Elektroden 5 und den negativen Elektroden 6 an eine Span nungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen.

Am Boden des Behälters 1 ist eine Ablaufeinrichtung angeordnet, die aus einem an eine Absaugapparatur anschließ baren Leitungsrohr 13 und einem Hahn 14 besteht.

In der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Apparatur bestehen die positive Elektrode 5 und die negative Elektrode 6 aus einem Paar nadelförmiger Kabel mit einem Durchmesser von 2 mm. Die Elektroden sind abwechselnd mit regelmäßigen Zwischenräumen angeordnet. Die Gesamtzahl der eingesetzten Elektrodenpaare ist drei je Elektrode, und der Innendurch messer des Außenzylinders 2 beträgt 100 mm.

Dem aus Tetrachlorkohlenstoff bestehende dielektri schen Fluid werden kurze Aluminiumoxid-Fasern ohne Oberflä chenbehandlung (mittlerer Faserdurchmesser: 3 µm; mittlere Faserlänge: 10 bis 5000 µm) und eine sehr kleine Menge eines nichtionischen oberflächenaktiven Mittels zugesetzt. Das Ge misch wird unter Bildung einer Fasersuspension gerührt, in der die Fasern dispergiert sind.

Zwischen den positiven und negativen Elektroden der Appa ratur wird ein elektrisches Feld einer Feldstärke von etwa 1 kv/cm erzeugt. Die Fasersuspension wird von der Oberseite des vertikal-zylindrischen Raums 4 in alle durch die positi ven Elektroden 5 und negativen Elektroden 6 unterteilten Abschnitte eingegossen.

Die eingegossenen Fasern werden dielektrisch polarisiert und in der Tangentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet. Dann bilden viele Fasern Brücken, und ihre Massen erfahren einen Zuwachs. Dann werden sie unter Beibe haltung der Orientierung in Tangentialrichtung des Umfangs sedimentiert. Die positiven Elektroden 5 und negativen Elek troden 6 werden während dieses Vorgangs mit einer Drehzahl von 2 UpM gedreht.

Die unter Brückenbildung ausgerichteten Fasern werden nachfolgend durch Ablaufenlassen des Filtrats durch das Leitungsrohr 13 auf der Filtersubstanz 10 unter Bildung des Faseraggregats 12 angesammelt. Das Ablaufen des Filtrats erfolgt gleichzeitig mit dem Eingießen der Fasersuspension. Die positiven Elektroden 5 und die negativen Elektroden 6 werden angehoben entsprechend der Höhe der angesammelten Faserschicht, damit der freie Zwischenraum zwischen dem unte ren Rand der Elektroden und der angesammelten Faserschicht auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Die Gewindesteigung des Haltekörpers 7, die mit dem Innenzylinder 3 bei 15 kämmt, beträgt 2 mm. Nachdem das Filteraggregat 12 von bestimmter Dicke, etwa 15 mm, gebildet ist, läßt man die restliche Flüssigkeit ablaufen, um das Faseraggregat 12 zu entnehmen.

Das Faseraggregat 12 hat eine zylindrische Gestalt, und viele seiner Fasern sind in befriedigender Weise in Tangential richtung des Umfangs ausgerichtet. Der innere Umfangsabschnitt des Faseraggregats 12 hat ein geringfügig größeres Faservolu menverhältnis als der äußere Umfangsabschnitt des Faseraggre gats. Es kann jedoch ein Faseraggregat mit fast gleichmäßigem Faservolumenverhältnis dadurch gebildet werden, daß man eine Fasersuspension hoher Konzentration von der äußeren Umfangs fläche des vertikal-zylindrischen Raums 4 zuführt.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform entsteht infolge des Fluidablaufs keine turbulente Strömung, weil die Filter substanz 10 über das gesamte Unterteil des vertikal-zylin drischen Raums 4 verteilt angeordnet ist. So ist es möglich, ein Faseraggregat zu erzeugen, in dem viele Fasern außerordent lich gut in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichtet sind.

Da bei diesem Faseraggregat viele Fasern in befriedigen der Weise in der Tangentialrichtung des Umfangs ausgerichtet sind, zeigt das faserverstärkte Metall eine größere Festig keit und eine geringere Wärmedehnung, wenn das Fasereggregat für das faserverstärkte Metall verwendet wird. Demgemäß wird dieses Faseraggregat beispielsweise wirksam für verschiedene Kolbentypen verwendet.

Vierte bevorzugte Ausführungsform

Diese bevorzugte Ausführungsform hat die gleiche Anord nung wie die dritte bevorzugte Ausführungsform mit der nach folgend beschriebenen Abweichung:

Diese bevorzugte Ausführungsform benutzt zwei netzförmige positive Elektroden und zwei netzförmige negative Elektroden, die mit regelmäßigen Zwischenräumen angeordnet sind, einen Fluor- und Chlor-substituierten Kohlenwasserstoff als dielek trische Flüssigkeit, Siliziumcarbid-Whisker (mittlerer Faser durchmesser: 0,7 µm; mittlere Faserlänge: 50 µm) und ein elektrisches Feld einer Feldstärke von 105 kv/cm. Das Netz hat eine Maschenweite der Klasse Nr. 4.

Nach dieser bevorzugten Ausführungsform kann ebenfalls ein Faseraggregat erhalten werden, in dem viele Fasern in be friedigender Weise in Tangentialrichtung des Umfangs ausge richtet sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats, dadurch gekennzeichnet, daß man
Fasern in Form von kurzen Fasern, Whiskern oder einem Gemisch daraus in einem dielektrischen fluiden Medium dispergiert,
das dielektrische fluide Medium mit den darin dispergierten Fasern in einen vertikal-zylindrischen Raum mit Paaren vertikal verlaufender Elektroden eines Typs und eines anderen Typs ein bringt, an die eine Hochspannung angelegt wird, wodurch die ein zelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium in der Tan gentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet werden und
die elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehaltung der Ausrichtung ansammelt, wobei
der eine Typ der vertikal verlaufenden Elektrode und der andere Typ der vertikal verlaufenden Elektrode mit regelmäßigen Zwischenräumen längs des Umfangs des vertikal-zylindrischen Raums angeordnet sind.

2. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Typ der verti kal verlaufenden Elektrode und der andere Typ der vertikal verlaufenden Elektrode sich auch radial erstreckt.

3. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Typ und der andere Typ der Elektroden blattförmige oder netzförmige Elek troden sind, die sich vertikal erstrecken.

4. Vorrichtung zur Herstellung eines Faseraggregats, gekennzeichnet durch
einen Behälter (1) mit einem Boden, in dem zwischen einem Innenzylinder (2) und einem konzentrischen Außenzylinder (1 a) ein vertikal-zylindrischer Raum (3) gebildet ist,
mehrere Elektroden (4, 5), die unter blattförmigen Elek troden, netzförmigen Elektroden, einer Elektrodenform mit mehrfach angeordneten Drähten und einer Kombination aus diesen Elektrodenformen ausgewählt sind und in Paaren aus einem Elek trodentyp und dem anderen Elektrodentyp abwechselnd mit regel mäßigen Zwischenräumen längs des Umfangs des vertikal-zylin drischen Raums (3) angeordnet sind,
eine Filtersubstanz (7) an dem Unterteil des vertikal zylindrischen Raums (3),
eine Ablaufeinrichtung (8, 9) am Boden des Behälters (1) mit Boden und
ein an die Elektroden (4, 5) angeschlossenes Gerät zum Anlegen einer Spannung. (Fig. 1)

5. Vorrichtung zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal-zylindri sche Raum (3) in seiner Horizontalebene durch eine gerade Anzahl von Elektroden (4, 5) gleichmäßig eingeteilt ist.

6. Vorrichtung zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil der Elek troden (4, 5) als ein verhältnismäßig dünnes Nadelkabel (6) ausgebildet ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats, dadurch gekennzeichnet, daß man
Fasern in Form von kurzen Fasern, Whiskern oder einem Gemisch daraus in einem dielektrischen fluiden Medium disper giert,
das dielektrische fluide Medium mit den darin dispergierten Fasern in einen vertikal-zylindrischen Raum mit Paaren vertikal verlaufender Elektroden eines Typs und eines anderen Typs ein bringt, an die eine Hochspannung angelegt wird, wodurch die ein zelnen Fasern in dem dielektrischen fluiden Medium in der Tan gentialrichtung des Umfangs elektrostatisch ausgerichtet werden und
die elektrostatisch ausgerichteten Fasern unter Beibehal tung der Ausrichtung ansammelt, wobei man
die Elektroden langsam um die Mittellinie des vertikal zylindrischen Raums als Mittelachse dreht und die Positionen der Elektroden relativ in Bezug auf die Längsrichtung des vertikal-zylindrischen Raums ändert, um den lichten Abstand zwischen dem Rand des unteren Endes der Elektroden und der angesammelten Faserschicht auf einem bestimmten Wert zu halten.

8. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Typ der sich vertikal erstreckenden Elektrode und der andere Typ der sich vertikal erstreckenden Elektrode nadelförmige oder netzförmige Elektroden sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektroden innerhalb eines bestimmten Drehwinkels in der Uhrzeigerrichtung und entgegen der Uhrzeigerrichtung dreht.

10. Vorrichtung zur Herstellung eines Faseraggregats, gekennzeichnet durch
einen Behälter (1) mit einem Boden, in dem zwischen einem Innenbehälter (3) und einem konzentrischen Außenbehälter (2) ein vertikal-zylindrischer Raum (4) gebildet ist,
eine Mehrzahl von Elektroden (5, 6), die unter blattförmi gen Elektroden, netzförmigen Elektroden, einer Elektrodenform mit mehrfach angeordneten Drähten und einer Kombination aus diesen Elektrodenformen ausgewählt sind und in Paaren aus dem einen und dem anderen Elektrodentyp abwechselnd mit regelmäßigen Zwischenräumen längs des Umfangs des vertikal-zylindrischen Raums (4) angeordnet sind,
eine Elektrodendreheinrichtung (8, 9) zur Drehung der Elektroden (5, 6) um die Mittellinie des vertikal-zylindrischen Raums (4) als Mittelachse,
eine Filtiersubstanz (10) an dem Unterteil des vertikal zylindrischen Raums (4),
eine Elektrodenhebeeinrichtung (7-9, 15) zum Heben der Elektroden (5, 6) entsprechend der angewachsenen Höhe der ange sammelten Faserschicht (12) auf der Filtersubstanz (10),
eine Ablaufeinrichtung (13, 14) am Boden des Behälters (1) mit Boden und
ein an die Elektroden (5, 6) angeschlossenes Gerät zum Anlegen einer Spannung. (Fig. 3)

11. Vorrichtung zur Herstellung eines Faseraggregats nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikal-zylin drische Raum (4) in seiner Horizontalebene durch eine gerad zahlige Anzahl Elektroden (5, 6) gleichmäßig eingeteilt ist.