DE3732060A1

DE3732060A1 - Verfahren zur herstellung einer faseransammlung

Info

Publication number: DE3732060A1
Application number: DE19873732060
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: 1986-09-26
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1988-04-07
Also published as: DE3732060C2; JPS6385151A; US4826569A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung bzw. eines Faseraggregats und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer optimalen Faseransamm lung, in der viele der Fasern eindimensional ausgerichtet sind und die besonders zur Anwendung für faserverstärkte Me talle vorgesehen ist.

Eine Faseransammlung aus kurzen Fasern oder Whiskern ist üb licherweise durch die folgenden Verfahren hergestellt wor den:

Zur Bildung der Faseransammlung ist ein Fliehkraft-Formungs verfahren angewandt worden (JP-OS 65 200/1985). Gemäß diesem Verfahren wird eine Fasersuspension in einen porösen zylind rischen Behälter, der mit einer Filtermembran ausgekleidet ist, eingeführt, und das Filtrat wird durch die Fliehkraft zerstreut bzw. weggeschleudert, um eine Faseransammlung mit einem Hohlraum zu formen.

Zur Bildung der Faseransammlung ist auch ein Saug-Formungs verfahren angewandt worden. Gemäß diesem Verfahren wird eine Fasersuspension, die in einen Zylinder eingeführt worden ist, mit einem Kolben unter Druck gesetzt, während das Filtrat vom Boden des Zylinders her über eine Filtersubstanz zwangs läufig abgelassen wird.

Bei der Faseransammlung, die durch die vorstehend beschrie benen Formungsverfahren erhalten wird, sind jedoch viele der Fasern in zwei- oder dreidimensionaler Richtung ausgerichtet, und der Volumenanteil der Fasern ist niedrig. Bei der Anwen dung für faserverstärkte Metalle zum Zwecke der Verbesserung der Festigkeit und der Steuerung bzw. Einschränkung der Wär meausdehnung zeigt diese Faseransammlung infolgedessen ein sehr schlechtes Ergebnis.

Zur Lösung der vorstehend erwähnten Probleme wird ein Ver fahren in Betracht gezogen, bei dem eine Fasersuspension, die durch Dispergieren von Fasern in einem dielektrischen Fluid erhalten worden ist, in ein zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode erzeugtes elektri sches Feld hineingegossen wird, um die Fasern elektrosta tisch auszurichten und die Fasern gleichzeitig mit der elektrostatischen Ausrichtung zu überbrücken bzw. unterein ander zu verbinden. Die ausgerichteten Fasern werden dann durch aufeinanderfolgende Sedimentation angesammelt, und es wird eine Faseransammlung erhalten, bei der viele der Fasern eindimensional ausgerichtet sind.

Wenn ein solches Grundverfahren auf eine großtechnische Be triebsweise angewendet wird, treten jedoch viele Probleme auf.

Wenn z.B. als Fasern Whisker verwendet werden, wird die Brückenbildung spärlich bzw. selten, und die Sedimentations geschwindigkeit wird niedrig, weil die Whisker sehr kleine Fasern sind. Ferner wird die Brückenbildung während der Se dimentation beeinträchtigt und die Faserausrichtung könnte gestört werden, weil die Brückenbildung spärlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch selektives Vermischen verschiedener Fasern dicht angeordnete Brücken zu erzielen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Fasermischung verwendet wird, in der Whisker mit einer geringen Menge kur zer Fasern vermischt sind, damit um die als Kerne dienenden kurzen Fasern herum Whiskerbrücken wachsen. Konkret gesagt, wird im Rahmen der Erfindung eine neue Anordnung verwendet, bei der die Fasern aus einer Mischung von Whiskern und kur zen Fasern bestehen und bei der der auf das Gesamtvolumen der Whisker und der kurzen Fasern bezogene Mischungsanteil der kurzen Fasern 1 bis 45 Vol.-% beträgt.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die bei gefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Abbildung, die den Ausrichtungs und Überbrückungszustand einer im Rahmen der Erfindung ver wendeten Fasermischung zeigt.

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrich tung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, in der die Biegefe stigkeit von durch Fasermischungen faserverstärkten Metallen verglichen wird.

Wenn man Whisker und kurze Fasern in einem festgelegten Mi schungsverhältnis in einem dielektrischen Fluid dispergiert, um eine Fasersuspension zu bilden, und die Fasersuspension in ein elektrisches Feld hineinbringt, werden die Whisker und die kurzen Fasern polarisiert und in eindimensionaler Richtung ausgerichtet bzw. orientiert. Wie aus Fig. 1 er sichtlich ist, haften sehr kleine Whisker W um stabile Brük ken zwischen kurzen Fasern S herum an, und Brücken zwischen Whiskern W wachsen dicht um kurze Fasern S herum, die als Kerne dienen und eine größere elektrostatische Energie haben als die Whisker W. Infolgedessen sedimentieren die Fasern schnell, während der stabile Überbrückungszustand gegen die Störung der Fasersuspension beibehalten wird.

Im Fall des Anlegens einer Gleichspannung, d.h., der Anwen dung eines aus einer positiven und einer negativen Elektro de bestehenden Elektrodenpaares, kann die Innenseite der po sitiven und der negativen Elektrode mit einem Diaphragma be deckt sein, um die turbulente Strömung der Fasersuspension einzuschränken. Das Diaphragma kann vorzugsweise eine Ionen austauschermembran sein. In diesem Fall ist die Innenseite der positiven Elektrode mit einer Anionenaustauschermembran und die Innenseite der negativen Elektrode mit einer Katio nenaustauschermembran bedeckt. Auf diese Weise kann die auf Ionen zurückzuführende Störung der Fasersuspension in zweck mäßiger Weise vermieden werden, weil die Anionenaustauscher membran den Durchlaß bzw. die Überführung oder das Eindrin gen von an der positiven Elektrode erzeugten Kationen in den Faserausrichtungsbereich verhindert und die Kationenaustau schermembran in ähnlicher Weise verhindert, daß Anionen, die an der negativen Elektrode erzeugt werden, in den Faseraus richtungsbereich durchgelassen bzw. überführt werden oder eindringen.

Die Herstellung einer Faseransammlung bzw. eines Faseraggre gats beginnt mit der Herstellung einer Fasersuspension durch Dispergieren einer aus Whiskern und kurzen Fasern bestehen den Fasermischung in einem dielektrischen Fluid.

Als Whisker, die vorstehend erwähnt wurden, werden Silicium carbid-Whisker oder Siliciumnitrid-Whisker bevorzugt. Als kurze Fasern, die vorstehend erwähnt wurden, werden kurze Aluminiumoxid-Fasern oder kurze Aluminiumoxid-Siliciumdioxid- Fasern bevorzugt. Die praktisch verwendeten Whisker haben einen Faserdurchmesser von 0,1 bis 1 µm und eine Faserlänge von 5 bis 100 µm. Die praktisch verwendeten kurzen Fasern haben einen Faserdurchmesser von 1 bis 20 µm und eine Faser länge von 10 bis 5000 µm. Diese Abmessungen sind Näherungs werte.

Der auf das Gesamtvolumen der Whisker und der kurzen Fasern bezogene Mischungsanteil der kurzen Fasern beträgt 1 bis 45 Vol.-%. Wenn der Mischungsanteil der kurzen Fasern weniger als 1 Vol.-% beträgt, wirken die kurzen Fasern in unzuläng licher Weise als Kerne für das Wachsenlassen der Whisker brücken. Wenn der Mischungsanteil der kurzen Fasern mehr als 45 Vol.-% beträgt, wird die Festigkeit eines faserver stärkten Metalls durch die physikalischen Eigenschaften der kurzen Fasern, die selbst eine schlechtere Festigkeit als die Whisker haben, beeinträchtigt und vermindert. Der Wert des Mischungsanteils der kurzen Fasern beträgt vorzugsweise 5 bis 40 Vol.-%. Im einzelnen wird die Festigkeit eines fa serverstärkten Metalls besser, wenn der Mischungsanteil der kurzen Fasern in diesem Bereich liegt, weil die kurzen Fa sern ihre Funktion als Kerne wirksam erfüllen.

Unter dem dielektrischen Fluid ist ein Fluid zu verstehen, das beim Anlegen einer Spannung dielektrisches Verhalten zeigt. Zu Beispielen für das dielektrische Fluid gehören Te trachlorkohlenstoff, fluor- und chlorsubstituierte Kohlen wasserstoffe, n-Hexan und Cyclohexan. Von diesen ist Tetra chlorkohlenstoff das am meisten bevorzugte dielektrische Fluid. Fluor- und chlorsubstituierte Kohlenwasserstoffe wer den vom Standpunkt der Handhabung und der Sicherheit bevor zugt. Ferner wird vorzugsweise eine geeignete Menge einer nichtionogenen grenzflächenaktiven Substanz zugegeben, damit die Fasern so gleichmäßig wie möglich in dem dielektrischen Fluid dispergiert werden.

Der nächste Schritt bei der Herstellung der Faseransammlung ist die Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen der po sitiven und der negativen Elektrode bzw. zwischen dem Paar Elektroden. Dann wird die Faserdispersion in das elektrische Feld hineingegossen, um die Fasern derart auszurichten, daß ein Ende der Fasern zu der positiven Elektrode bzw. zu der einen der Elektroden zeigt und das andere Ende der Fasern zu der negativen Elektrode bzw. zu der anderen Elektroden zeigt (eindimensionale Ausrichtung). Gleichzeitig werden die Fa sern sedimentieren gelassen, während sie überbrückt bzw. un tereinander verbunden sind.

Die Stärke des elektrischen Feldes, das beim Anlegen einer Spannung zwischen der positiven und der negativen Elektrode bzw. zwischen dem Paar Elektroden erzeugt wird, beträgt im allgemeinen etwa 0,5 bis 5 kV/cm. Wenn die Feldstärke etwa 0,2 kV/cm oder weniger beträgt, werden die Fasern nicht in ausreichendem Maße elektrostatisch ausgerichtet. Wenn die Feldstärke etwa 10 kV/cm oder mehr beträgt, verschlechtert sich wegen des Auftretens von Störungen in der Fasersuspen sion die Genauigkeit der Faserausrichtung. Die am meisten be vorzugte elektrische Feldstärke beträgt etwa 1 bis 2 kV/cm. Als elektrisches Feld kann nicht nur ein durch einen Gleich strom erzeugtes elektrisches Feld, sondern auch ein durch einen Wechselstrom erzeugtes elektrisches Feld angewendet werden. Die elektrische Feldstärke, die am meisten bevorzugt wird, hängt von den verwendeten Fasern, von den dielektri schen Eigenschaften des verwendeten dielektrischen Fluids und von der Dicke der herzustellenden Faseransammlung ab.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Fasern schnell se dimentieren gelassen, weil, wie vorstehend erwähnt wurde, viele der Whisker und der kurzen Fasern in eindimensionaler Richtung elektrostatisch ausgerichtet sind und viele Whisker um die als Kerne dienenden, in der Orientierungsrichtung lie genden kurzen Fasern herum dichte Brücken gebildet haben.

Das Eingießen der Fasersuspension wird fortgesetzt, bis die Faseransammlung eine gewünschte Dicke erreicht hat. Die Menge des Fluids, das durch den Boden des Behälters hindurch abgelassen wird, ist etwa genauso groß wie die Menge der ein gegossenen Suspension. Beim Ablassen ist es wichtig, daß Vor sorge gegen eine turbulente Strömung getroffen wird. Das Fluid wird vorzugsweise natürlich bzw. durch Schwerkraftwir kung oder durch Saugen abgelassen, nachdem die Strömungsmen ge so eingestellt worden ist, daß die Strömung frei von me chanischen Störungen ist. Eine wirksame Maßnahme, um zu ver meiden, daß Fasern austreten und daß das Fluid turbulent strömt, sowie um die Strömungsmenge einzustellen, besteht darin, daß das Fluid über eine am Boden des Behälters ange ordnete Filtersubstanz abgelassen wird. Als Filtersubstanz kann ein poröser keramischer Werkstoff verwendet werden.

Die auf diese Weise angesammelte Faseransammlung wird aus dem Behälter herausgenommen, nachdem das Ablassen des rest lichen dielektrischen Fluids beendet worden ist. Aus der Fa seransammlung wird ein Faser-Formkörper für ein faserver stärktes Metall hergestellt, indem sie auf gewünschte Abmes sungen und eine gewünschte Gestalt geschnitten wird.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung durchgeführt wird, wird beispielsweise eine Vorrichtung verwendet, wie sie in Fig. 2 schematisch veran schaulicht ist. Diese Vorrichtung weist die folgenden Bau teile auf:
einen Behälterabschnitt 4 mit einer an der Oberseite befind lichen Öffnung für die Aufnahme einer Fasersuspension 2, bei der eine Fasermischung 1 in einem dielektrischen Fluid dis pergiert ist, aus einem Gefäß 3,
einen Ablaßabschnitt 6, der dazu dient, das Filtrat der Fa sersuspension 2 über eine Filtersubstanz 10 nach unten abzu lassen,
ein Ausrichtungsbad 7 mit einem Ausrichtungsabschnitt 5 zum Ausrichten und Überbrücken von Fasern 1 a zwischen dem Behäl terabschnitt 4 und dem Ablaßabschnitt 6,
ein Paar Elektroden aus einer positiven Elektrode 8 und ei ner negativen Elektrode 9, die in einem festgelegten Abstand senkrecht angeordnet sind,
eine Anionenaustauschermembran 12 und eine Kationenaustau schermembran 13, die an der Innenseite der positiven Elek trode 8 bzw. an der Innenseite der negativen Elektrode 9 an geordnet sind, und
eine Spannungsanlegeeinrichtung 11 zum Erzeugen eines elek trischen Feldes zwischen der positiven Elektrode 8 und der negativen Elektrode 9.

An dem vorstehend erwähnten Ablaßabschnitt 6 sind als Ablaß einrichtungen ein Rohr 61 und ein Hahn 62 angebracht, die mit einer (nicht gezeigten) Saugvorrichtung verbunden werden können.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung mit den folgenden Schritten:
einem Dispergierschritt, bei dem kurze Fasern und Whisker in einem dielektrischen Fluid dispergiert werden,
einem Ausrichtungsschritt, bei dem das dielektrische Fluid, das die darin dispergierten Fasern enthält, in einen Zwi schenraum zwischen einem Paar Elektroden, über die eine Hoch spannung angelegt ist, hineingebracht wird, wodurch veran laßt wird, daß sich die einzelnen Fasern in dem dielektri schen Fluid elektrostatisch ausrichten, wobei ein Ende zu einer der Elektroden zeigt und das andere Ende zu der ande ren Elektrode zeigt, und
einem Ansammlungsschritt, bei dem die elektrostatisch ausge richteten Fasern angesammelt werden, während der Ausrich tungsschritt aufrechterhalten wird,
eine Fasermischung verwendet wird, bei der kurze Fasern in einem festgelegten Mischungsanteil zu Whiskern hinzugegeben sind, damit um die als Kerne dienenden kurzen Fasern herum Whiskerbrücken wachsen, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß die Fasersedimentation und das Ansammeln der Fasern durch dicht überbrückte Fasern beschleunigt wer den, während eine zufriedenstellende Ausrichtung beibehalten wird. Folglich kann in kürzerer Zeit eine Whiskeransammlung mit einem größeren Faser-Volumenanteil Vf geformt werden.

Nachstehend wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfin dung beschrieben.

Als Fasern wurden Siliciumcarbid-Whisker und kurze Aluminium oxid-Fasern verwendet. Die kurzen Aluminiumoxid-Fasern wur den mit den Siliciumcarbid-Whiskern vermischt, wobei der auf das Gesamtvolumen der Whisker und der kurzen Fasern bezogene Mischungsanteil der kurzen Fasern 0, 1, 5, 10, 20, 40 oder 50 Vol.-% betrug. Diese Fasermischungen wurden jeweils in einer dielektrischen Flüssigkeit, die aus einem fluor- und chlorsubstituierten Kohlenwasserstoff bestand, dispergiert, um Fasersuspensionen zu erhalten.

Eine Vorrichtung zur elektrostatischen Ausrichtung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wurde bereitgestellt. Die Vorrichtung besteht aus dem Ausrichtungsbad 7, dem Elektrodenpaar aus der positiven Elektrode 8 und der negativen Elektrode 9 und der Spannungsanlegeeinrichtung 11. Das Ausrichtungsbad 7 be steht aus dem Behälterabschnitt 4 für die Aufnahme des di elektrischen Fluids 2, in dem die Fasermischung dispergiert ist; dem Ablaßabschnitt 6 zum Ablassen des dielektrischen Fluids 2 und dem Ausrichtungsabschnitt 14, in dem sich das dielektrische Fluid über den Behälterabschnitt 4 und den Ab laßabschnitt 6 nach unten bewegt. Die positive Elektrode 8 und die negative Elektrode 9 sind im Ausrichtungsabschnitt 14 des Ausrichtungsbades 7 in einem bestimmten waagerechten Abstand voneinander senkrecht angeordnet. Durch die Span nungsanlegeeinrichtung 11 wird über die positive Elektrode 8 und die negative Elektrode 9 eine Hochspannung angelegt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen.

Dann wurde zwischen der positiven und der negativen Elektro de der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung, bei der die positive und die negative Elektrode in einem Abstand von 10 cm ange ordnet waren, ein elektrisches Feld mit einer elektrischen Feldstärke von 1 kV/cm erzeugt. Dann wurden die Fasersuspen sionen jeweils in das elektrische Feld hineingegossen. Die Sedimentationszeit, die benötigt wurde, um eine Ansammlungs hohe von 10 mm zu erreichen, als das Ablassen der Flüssig keit unterbrochen war, wurde gemessen. Die Faserkonzentra tion der Fasersuspensionen betrug jeweils 5 g/Liter.

Die Sedimentationszeiten der Fasersuspensionen sind in Ta belle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Nach der Sedimentation der Fasern in der vorstehend erwähn ten Weise wurde das dielektrische Fluid durch das Filter 10 filtriert, indem der an dem Rohr 61 vorgesehene Hahn 62 ge öffnet wurde. Die Fasern hatten sich auf dem Filter 10 in einem eindimensional ausgerichteten Zustand angesammelt. Die Fasern wurden dann zur Herstellung einer Faseransammlung bzw. eines Faseraggregats getrocknet.

Die Faseransammlungen mit den vorstehend erwähnten Mischungs anteilen der kurzen Fasern wurden so hergestellt, daß sie ei nen Faser-Volumenanteil Vf von 20 oder 30% hatten.

Aus diesen Faseransammlungen wurden durch ein Hochdruck-Guß verfahren Verbundstoffe mit einer Aluminiumlegierung (Japa nese Industrial Standard Code: AC1A) hergestellt, wodurch aus faserverstärktem Metall bestehende Probekörper erzeugt wurden. Die Probekörper, die eine Breite von 5 mm, eine Höhe von 3 mm und eine Länge von 50 mm hatten, wurden für eine Biegefestigkeitsprüfung vorbereitet. Die Fasern in den Pro bekörpern waren in der Längsrichtung der Probekörper ausge richtet.

Bei der Biegefestigkeitsprüfung waren Unterstützungspunkte und ein Eindringkörper senkrecht zu der Orientierungsrich tung der Fasern angeordnet. Die Biegefestigkeitsprüfung wur de unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:

Abstand zwischen den Unterstützungspunkten: 30 mm Abwärtsbewegungsgeschwindigkeit des Eindringkörpers: 1 mm/min

In Fig. 3 ist die Biegefestigkeit dargestellt, die mit den Fasermischungen erhalten wurde.

Wie in Fig. 3 gezeigt wird, hatten Probekörper mit demselben Faser-Volumenanteil Vf, bei denen der Mischungsanteil der kurzen Fasern 1 bis 45 Vol.-% betrug, eine größere Biegefe stigkeit. Insbesondere nahm die Biegefestigkeit weiter zu, wenn der Mischungsanteil in dem Bereich von 5 bis 40 Vol.-% lag, und die Biegefestigkeit war am größten, wenn der Mi schungsanteil 10 Vol.-% betrug.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung, gekenn zeichnet durch:
einen Dispergierschritt, bei dem Fasern in einem dielektri schen Fluid dispergiert werden,
einen Ausrichtungsschritt, bei dem des dielektrische Fluid, das die darin dispergierten Fasern enthält, in einen Zwi schenraum zwischen einem Paar Elektroden, über die eine Hoch spannung angelegt ist, hineingebracht wird, wodurch veran laßt wird, daß sich die einzelnen Fasern in dem dielektri schen Fluid elektrostatisch ausrichten, wobei ein Ende zu einer der Elektroden zeigt und das andere Ende zu der ande ren Elektrode zeigt, und
einen Ansammlungsschritt, bei dem die elektrostatisch ausge richteten Fasern angesammelt werden, während der Ausrich tungsschritt aufrechterhalten wird,
wobei die Fasern aus einer Mischung von Whiskern und kurzen Fasern bestehen und der auf das Gesamtvolumen der Whisker und der kurzen Fasern bezogene Mischungsanteil der kurzen Fa sern 1 bis 45 Vol.-% beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker aus Sili ciumcarbid oder Siliciumnitrid bestehen und die kurzen Fa sern aus Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid-Siliciumdioxid be stehen.

3. Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker einen Durchmesser von 0,1 µm bis 1 µm und eine Länge von 5 µm bis 100 µm haben und die kurzen Fasern einen Durchmesser von 1 µm bis 20 µm und eine Länge von 10 µm bis 5000 µm haben.

4. Verfahren zur Herstellung einer Faseransammlung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das Gesamtvo lumen der Whisker und der kurzen Fasern bezogene Mischungs anteil der kurzen Fasern 5 bis 40 Vol.-% beträgt.