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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe aus
glasartigem Kohlenstoff. Insbesondere betrifft sie einen Verbundwerkstoff
mit glasartigem Kohlenstoff als Hauptbestandteil sowie mit hoher
Abriebbeständigkeit und kleinem Reibungskoeffizienten, der als Werkstoff für
präzisionsbearbeitete Elemente außerordentlich geeignet ist.
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Gegenwärtig sind verschiedene Aufzeichnungs-/Wiedergabegeräte
auf dem Markt erhältlich, die Blätter und Filme mit einer magnetischen
Schicht oder Papier als Aufzeichnungsträger verwenden. Diese
Aufzeichnungs-/Wiedergabegeräte enthalten eine Reihe von Elementen, die entweder
ständig oder zeitweise mit dem Aufzeichnungsträger in Gleitkontakt
kommen, wie ein Gleitkopf einer Folienspeicherplatte, Schwebegleitkopf
einer Festplatte, ein thermischer Druckkopf und ein Magnetkopf. Diese
Elemente sind für eine hohe Lebensdauer und für Eigenschaften, die bei
Gleitkontakt mit dem Aufzeichnungsträger nicht zur Zerstörung desselben
führen, erforderlich. Darüberhinaus sind diese Elemente, insbesondere
der Magnetkopf, überaus präzisen Bearbeitungen in der Größenordnung von
einigen Mikrometern bis zu einigen zehn Mikrometern ausgesetzt. Die
Materialien wiederum sind für eine hohe Leistungsfähigkeit bei der
Präzisionsbearbeitung erforderlich.
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Als Werkstoff für solche Elemente werden üblicherweise
Siliciumdioxide, Aluminiumoxid (Aluminiumdioxide), Siliciumcarbide,
Hartgläser, Aluminiumoxidkeramiken, Ferrite, Calciumtitanate und
Bariumtitanate verwendet. Obwohl sich diese Werkstoffe für Präzisionsteile eignen,
können sie aufgrund ihrer Härte und Gleitfähigkeit Beschädigungen des
Aufzeichnungsträgers hervorrufen. Graphite sind bekannt als Werkstoffe
mit hoher Gleitfähigkeit. Sie sind jedoch sehr anfällig für Abrieb und
nicht über einen längeren Zeitraum formbeständig. Wegen ihrer
Materieteilchen haben sie eine unzureichende Dichte und eignen sich daher nicht
zur Verwendung in Präzisionsbauteilen.
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Der vorliegende Anmelder führte verschiedene Untersuchungen
zur Beseitigung dieser Mängel durch und fand heraus, daß glasartiger
Kohlenstoff bei der Behebung der Mängel wirksam ist. Patentanmeldungen
für diese Erfindungen wurden angemeldet und als japanische
Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern Sho 59-84325 und Sho 59-144019
offengelegt.
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Glasartiger Kohlenstoff hat ein angemessenes Maß an
Abriebbarkeit, das beim Gleiten gegen einen anderen Werkstoff verbraucht wird,
bevor der andere Werkstoff beschädigt wird.
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Der vorliegende Anmelder hat Anmeldungen für ein Verfahren zur
Herstellung von glasartigem Kohlenstoff mit hervorragender
Abriebbeständigkeit eingereicht. Diese Anmeldungen wurden unter den Nummern Sho
60-171209, Sho 60-131816, Sho 60-171208, Sho 60-171209, Sho 60-171210
und Sho 60-171211 veröffentlicht.
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In weiteren Experimenten wurde herausgefunden, daß glasartiger
Kohlenstoff bei alleiniger Verwendung, je nach Oberflächenhärte und
Grobkörnigkeit der Werkstoffe, mit denen er in Kontakt gebracht wird,
manchmal eine unzureichende Abriebbeständigkeit aufweisen kann.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbundwerkstoff
für Gleitelemente zu schaffen, der ohne Beschichtung des Werkstoffs mit
einem Gleitmittel oder einem Schutzfilm verwendet werden kann und der
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(1) einen geringen Reibungswiderstand gegenüber dem Material
hat, mit dem er in Kontakt gebracht wird,
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(2) das Material, mit dem er in Kontakt gebracht wird, nicht
beschädigt, und
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(3) hervorragende Eigenschaften der Abriebbeständigkeit und
Langlebigkeit hat.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Verbundwerkstoff aus
glasartigem Kohlenstoff dadurch gekennzeichnet, daß er als
Hauptkomponente glasartigen Kohlenstoff enthält sowie einen Füllstoff aus
ultrafeinen Teilchen, die eine mittlere Teilchengröße von weniger als 1 µm
haben und Titancarbide enthalten, wobei das Volumenverhältnis
Füllstoff/glasartiger Kohlenstoff zwischen 0,005 und 0,2 liegt.
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Der als Hauptkomponente zu verwendende glasartige Kohlenstoff
des Verbundwerkstoffs kann durch Carbonisierung von hitzehärtbaren
Harzen wie Furan und Phenol sowie durch Carbonisierung von Harzen wie
Phenolharzen,
welche, damit sie hitzehärtbar werden, durch
Co-Polymerisation und Co-Polykondensation modifiziert worden sind, erhalten werden.
Porenfreier glasartiger Kohlenstoff, der aus hitzehärtbaren Harzen als
Ausgangsmaterial erhalten worden ist, die mehr als 20% Wasser im
Ausgangskondensat enthalten können, ist besonders vorzuziehen, wie in den
japanischen Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern Sho
60-171208, Sho 60-171209, Sho 60-171210 und Sho 60-171211 offenbart ist.
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Diese glasartigen Kohlenstoffe sind amorph und haben ein
geeignetes Maß an Abriebbarkeit, so daß sie, wenn sie gegen einen
Aufzeichnungsträger gleiten, abgetragen werden, bevor sie die
Oberflächenschicht des Aufzeichnungsträgers beschädigen.
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Ultrafeine Teilchen der vorliegenden Erfindung sind Teilchen
mit einer Teilchengröße von weniger als 1 µm, vorzugsweise weniger als
0,1 µm. Ultrafeine Teilchen können durch Gasphasenreaktionen wie
Verdampfung in einem Edelgas, Plasmaverdampfung und chemische
Verdampfungsdeposition oder durch Flüssigphasenreaktion wie Ausfällung und
thermische Zersetzung von aufgestäubtem geschmolzenem Material hergestellt
werden. Jede dieser Methoden kann in der vorliegenden Erfindung
angewandt werden.
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Die Teilchengröße der ultrafeinen Teilchen variiert abhängig
von der Verwendung des Verbundwerkstoffs aus glasartigem Kohlenstoff,
beträgt aber im Hinblick auf Homogenität des glasartigen Kohlenstoffs,
homogene und stabile Vermischung und Dispersion mit der Flüssigkeit und
dem ungehärtetem Precursor weniger als 0,1 µm.
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Die Teilchengröße kann mit einem Mikroskop, einem
Kohlenteerzähler, einem Zentrifugalausfällungsverfahren, einer Streuung
elektromagnetischer Wellen und spezifischer Oberflächenmessungen bestimmt werden.
Die Teilchengröße der ultrafeinen Teilchen der Keramiken gemäß der
vorliegenden Erfindung wurde mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops
bestimmt.
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Der Gehalt an ultrafeinen Teilchen liegt vorzugsweise im
Bereich eines Volumenanteils von 0,005 bis 0,2 des glasartigen
Kohlenstoffs, noch günstiger zwischen 0,005 und 0,1. Hervorragende
Eigenschaften der Präzisionsbearbeitbarkeit, der Abriebbeständigkeit und des
Reibungskoeffizienten
lassen sich in diesem Bereich erzielen. Wenn der
Gehalt an ultrafeinen Teilchen unterhalb des besagten Bereichs liegt,
lassen sich die Effekte der Beimischung nicht erreichen. Wenn der Gehalt
den Bereich überschreitet, verschlechtert sich die
Präzisionsbearbeitbarkeit, und der Reibungskoeffizient wird zu groß.
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Das Verfahren zur Herstellung des besagten Verbundwerkstoffs
aus glasartigem Kohlenstoff umfaßt die Schritte der Vermischung eines
ungehärteten Precursors eines hitzehärtbaren Harzes mit ultrafeinen
Teilchen, die Titancarbide enthalten und eine mittlere Teilchengröße von
weniger als 1 µm besitzen sowie der Carbonisierung des Harzes durch
Erhitzen in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur oberhalb von
800ºC. Der Carbonisierungsprozeß kann vorzugsweise eine Vorbehandlung
durch Erhitzen bei einer Temperatur zwischen 800ºC und 1200ºC und eine
Hitzebehandlung unter hohem Druck von mehr als 1000 atm bei einer
Temperatur zwischen 1200ºC und 1500ºC enthalten.
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Ein anderes Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs aus
glasartigem Kohlenstoff umfaßt die Schritte der Härtung eines Materials,
welches ein hitzehärtbares Harz als Hauptkomponente enthält, und der
Carbonisierung des so gehärteten Materials durch Erhitzen. Der
Carbonisierungsschritt enthält eine Vorbehandlung durch Erhitzen bei einer
Temperatur zwischen 800ºC und 1200ºC, gefolgt von einer Hitzebehandlung
unter hohem Druck oberhalb von 1000 atm in einer inerten Atmosphäre bei
einer Temperatur zwischen 1200ºC und 1600ºC.
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Hierbei kann der Werkstoff aus glasartigem Kohlenstoff sowohl
glasartigen Kohlenstoff allein als auch seine Verbundwerkstoffe
enthalten.
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Als Harzmaterial, welches hitzehärtbares Harz als
Hauptkomponente enthält, können sowohl hitzehärtbare Harze allein oder ungehärtete
Precursoren gemischt mit einem Füllstoff verwendet werden. Wenn der
Füllstoff verwendet wird, wird die Hitzebehandlung unter hohem Druck
vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1200ºC und 1500ºC
durchgeführt. Was die ultrafeinen Teilchen betrifft, werden die oben erwähnten
verwendet. Ultrafeine Teilchen oder Whisker werden vorzugsweise in dem
Ausgangskondensat des Harzes dispergiert.
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Eine äußere mechanische Kraft wie hydraulischer Druck kann auf
einen abgeschlossenen Behälter ausgeübt werden, um das Material direkt
oder indirekt während der Bearbeitung zu pressen. Der Druck innerhalb
des abgeschlossenen Behälters kann unter isometrischer Pressung der
innerhalb des Behälters befindlichen Probe auf 1000 atm oder mehr erhöht
werden. Die HIP (heißisostatisches Pressen)-Behandlung ist für dieses
Verfahren besonders zweckmäßig. Die HIP-Behandlung übt den Druck eines
inerten Gases auf die bei hoher Temperatur zu behapdelnde Probe aus.
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Hitzebehandlung unter hohem Druck erzielt die folgenden
Effekte;
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(1) verhindert die Bildung von Poren während der
Carbonisierung;
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(2) reduziert die im glasartigen Kohlenstoffmaterial
vorhandenen Mikroporen und ermöglicht so die Herstellung eines
hochdichten Verbundwerkstoffs mit verbesserter
Abriebbeständigkeit.
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Hitzebehandlung unter hohem Druck bewirkt auch eine Erhöhung der
Haftfestigkeit des Füllstoffs mit der Matrix, wenn ultrafeine Teilchen oder
Whisker als Füllstoff verwendet werden.
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Die Vorbehandlungstemperatur muß auf 800ºC bis 1200ºC gefahren
werden und liegt vorzugsweise zwischen 1000ºC und 1200ºC. Wenn sie
1200ºC überschreitet, läßt sich der Effekt der nachfolgenden
Hitzebehandlung unter hohem Druck nicht erreichen. Bei einer Temperatur
unterhalb von 800ºC ergibt die Carbonisierung unter Druck nicht die
erwünschten Effekte.
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Die Hitzebehandlung unter hohem Druck wird bei einer
Temperatur zwischen 1200ºC und 1600ºC durchgeführt, wenn das Harzmaterial ein
hitzehärtbares Harz alleine enthält, und zwischen 1200ºC und 1500ºC,
wenn das Harzmaterial auch einen Füllstoff enthält. Die Temperatur
sollte in beiden Fällen mehr als 1400ºC betragen. Wenn das hitzehärtbare
Harz allein verwendet wird, wird glasartiger Kohlenstoff oberhalb von
1600ºC graphitiert. Das so erhaltene glasartige Kohlenstoffmaterial wird
durch Abblätterung leicht abgenutzt. Untersuchungen haben gezeigt, daß
eine Behandlung unter einem Druck von 101,3 MPa (1000 atm) und einer
Temperatur oberhalb von 1600ºC zu einer signifikanten Erhöhung des
Abriebes führten. In Großwinkel-Röntgenbeugungsprofilen der Probe bei
Verwendung einer Cu-Kα-Linie trat ein d&sub0;&sub0;&sub2;-Peak des Graphits bei etwa 2θ=
26,4º auf. Die Abriebbeständigkeit nahm mit dem Auftreten und Anwachsen
des Graphitpeaks deutlich ab. Diese Befunde weisen darauf hin, daß die
Endtemperatur der Behandlung 1600ºC nicht überschreiten sollte.
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Wenn ultrafeine Teilchen unter den ungehärteten Precursor
gemischt werden, konzentriert sich die Belastung unter Graphitisierung des
den Füllstoff umgebenden Kohlenstoffs auf die Matrix an der
Füllstoffoberfläche, wenn die Temperatur der Hitzebehandlung unter hohem Druck
1500ºC überschreitet. Das durch die Behandlung erhaltene glasartige
Kohlenstoffmaterial wird durch Abblätterung leicht abgetragen werden.
Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Carbonisierung bei einem Druck von
mehr als 1000 atm und einer Temperatur oberhalb von 1500ºC zu einem
signifikanten Anstieg des Abriebes führten. Es ist daher erforderlich,
die Endtemperatur unterhalb von 1500ºC zu halten. Eine Wärmebehandlung
unter hohem Druck von mehr als 1000 atm, vorzugsweise mehr als 1500 atm,
erzielt günstige Effekte.
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Ultrafeine Teilchen können, wie bei der Herstellung von
faserverstärkten Kunststoffen (FRP), einer Vorbehandlung ausgesetzt werden.
Die Vorbehandlung wird durchgeführt, um die Zuverlässigkeit des
Endprodukts Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff zu verbessern und
kann eine Oberflächenbehandlung von ultrafeinen Teilchen, die
Beimischung von Zusätzen zur Förderung der Verteilung der Teilchen und eine
Dispersion mit hoher physikalischer Scherkraft enthalten.
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Der Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff gemäß der
vorliegenden Erfindung behält den niedrigen Reibungskoeffizienten bei,
welcher ein Kennzeichen von glasartigem Kohlenstoffmaterial ist, wobei
seine Abriebbeständigkeit verbessert wird. Die Verwendung des
Verbundwerkstoffs wird die Herstellung von gleitenden Teilen ermöglichen,
welche weniger Reibung mit den Teilen, mit denen sie in Kontakt gebracht
werden, verursachen und sie nicht beschädigen, und die noch dazu selbst
hervorragend in Abriebbeständigkeit und Langlebigkeit sind.
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Eine Vorbehandlung des hitzehärtbaren Harzes unter geeigneten
Bedingungen und eine nachfolgende Wärmebehandlung unter hohem Druck
ergibt ein glasartiges Kohlenstoffmaterial von höherer Dichte und
Abriebbeständigkeit sowie von verbesserter Biegefestigkeit. Eine Zugabe von
ultrafeinen keramischen Teilchen oder Whiskern zum Precursor des
hitzehärtbaren Harzes, gefolgt von einer Wärmebehandlung, wird die
Abriebbeständigkeit und die Biegefestigkeit des Materials verbessern, wobei der
niedrige Reibungskoeffizient des glasartigen Kohlenstoffmaterials selbst
beibehalten wird. Folglich wird die Verwendung des Verbundwerkstoffs die
Herstellung von gleitendenteilen ermöglichen, welche weniger Reibung
mit den Teilen, mit denen sie in Kontakt gebracht werden, verursachen
und sie nicht beschädigen und die noch dazu selbst hervorragend in
Abriebbeständigkeit und Langlebigkeit sind.
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Ausführungen von Teilen, die mit den gleitenden Teilen in
Kontakt zu bringen sind, hängen vom Verwendungszweck ab. Falls die
gleitenden Teile als Magnetkopf, ein Gleitkopf einer Floppy-Disk oder
ein Schwebegleitkopf einer Festplatte verwendet werden, dann geraten die
gleitenden Teile in Kontakt mit der Floppy-Disk, der Festplatte oder dem
Magnetband. Wenn die gleitenden Teile als thermischer Druckkopf
verwendet werden, dann kommen die Teile mit Papier oder Polymerfohe in
Kontakt, wohingegen die Teile mit Stahl wie SUJ 2 in Kontakt kommen,
wenn sie als Kugellagerringkäfig eines Lagers verwendet werden. Solche
Bauteile können flache oder gekrümmte Oberflächen haben, können in jeder
Form, etwa als Fäden, vorliegen und können starr oder flexibel in ihrer
Form sein.
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Wenn der Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung zum
Beispiel als gleitendes Teil eines Aufzeichnungsträgers verwendet wird,
kann seine Gleitfähigkeit ohne Verwendung eines Gleitmittels über eine
lange Zeitdauer aufrechterhalten werden. Das gleitende Teil verursacht
keine Schäden und Schrammen am Aufzeichnungsträger und ist noch dazu
selbst weniger anfällig für Abrieb.
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Wegen der elektrischen Leitfähigkeit des glasartigen
Kohlenstoffmaterials kann die Erzeugung statischer Elektrizität verhindert
werden, und die Teile, die mit dem Plattenaufzeichnungsträger oder dem
Aufzeichnungsträger selbst in Kontakt sind, können weniger
Staubanhaftung
ausgesetzt werden.
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Der Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff gemäß der
vorliegenden Erfindung kann als Gleitkopf einer Folienspeicherplatte,
als Schwebegleitkopf einer Festplatte, als thermischer Druckkopf, als
gleitendes Teil eines Magnetkopfes, als Kugellagerringkäfig eines
Lagers, als Ring für eine Hochgeschwindigkeits-Verseilmaschine, als
Flügel einer Flügelradpumpe und als Spulen und Führungen verschiedener Art
verwendet werden. Diese Teile können mit dem Verbundwerkstoff allein als
vollständiges Teil gebaut werden. Der Verbundwerkstoff aus glasartigem
Kohlenstoff der vorliegenden Erfindung kann auch in Abscheidern für
Kraftstofftanks, in mechanischen Teilen und in Futtern verschiedener Art
verwendet werden.
(Kurze Beschreibung der Zeichnungen)
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Fig. 1 zeigt die Form einer für die Messung des
Reibungskoeffizienten verwendeten Probe.
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Fig. 2 zeigt die Form einer für die Volumenmessung verwendeten
Probe.
(Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung)
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Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezug auf die
Beispiele 3 und 9 detaillierter beschrieben. Diese werden jedoch lediglich
als Beispiele angegeben und beschränken in keiner Weise den technischen
Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung. In den Beispielen
verwendete "Teile" stellen Gewichtsteile dar.
(Beispiel 1)
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Einhundert Teile Furfurylalkohol (Kao Quaker Co., Ltd.) werden
mit 5 Teilen 0,011 N-HCl wässriger Lösung versetzt, für 6 Stunden bei
96ºC reagiert und unter reduziertem Druck entwässert, um ein
hitzehärtbares Harz zu erhalten. Das so erhaltene hitzehärtbare Harz wurde mit 2
Gew.-% ultrafeinen Aluminiumoxidteilchen mit der Primärteilchengröße von
ca. 20 nm versetzt (Nippon Aerogel Co., Ltd., Aluminium oxide C) und zur
Dispersion in einer Kugelmühle durchmischt. Das so erhaltene
Ausgangskondensat
des Furfurylalkohols (100 Anteile) wurde mit 1,5 Teilen einer
wässrigen Lösung mit 70% p-Toluolsulfonsäure versetzt und gründlich
verrührt. Die Mischung wurde daraufhin in eine Form von 3 mm Dicke
gegeben und unter dem reduzierten Druck entgast. Dann wurde die Mischung
für 3 Stunden bei 50ºC -60ºC und für weitere 5 Tage bei 90ºC erhitzt, um
einen Streifen von gehärtetem Verbundharz zu erhalten. Das Verbundharz
wurde in einen Rohrofen gebracht, in einem Stickstoffdurchfluß mit der
Rate von 10ºC/h auf 1200ºC erhitzt und bei 1200ºC 2 Stunden lang
gehalten, bevor es abgekühlt wurde. Die Probe hatte eine Biegefestigkeit von
1050 kg/cm², was einen leichten Anstieg gegenüber den 1000 kg/cm²
bedeutet, die für ein glasartiges Kohlenstoffmaterial ohne Zugabe von
ultrafeinen Aluminiumoxidteilchen erhalten wurden. Die Dichte der
Hauptkomponente glasartiger Kohlenstoff betrug 1,5 g/cm³. Das hierzu hinzugefügte
scheinbare spezifische Gewicht von Aluminiumoxid betrug 75 g/Liter. Die
Kohlenstoffausbeute des verwendeten Harzes oder das Gewichtsverhältnis
vor und nach der Carbonisierung betrug ca. 50%. Wenn 2 Teile ultrafeiner
Aluminiumoxidteilchen zu 100 Teilen des Harzes zum Härten und
Carbonisieren zugegeben wurden, beträgt die Aluminiumoxidzugabe in bezug auf 50
Teile glasartigen Kohlenstoffs 2 Teile. Im Hinblick auf das spezifische
Gewicht der Aluminiumoxidteilchen von ca. 3,9 wird das Volumenverhältnis
50/1,5 gegenüber 2/3,9; mit anderen Worten beträgt das Volumen des
Aluminiumoxids 1,45 gegenüber 100 Volumenteilen des glasartigen
Kohlenstoffs. In gleicher Weise wird das Volumenverhältnis 3,08, 6,15 bzw.
19,2, wenn 4 Teile, 8 Teile bzw. 25 Teile von Aluminiumoxidteilchen zu
100 Teilen des Harzes gemischt werden. Genaue Volumenverhältnisse können
quantitativ bestimmt werden, indem das übrige Aluminium nach einer
Wärmebehandlung des Verbundwerkstoffs in Luft zur Entfernung des
Kohlenstoffgehalts bestimmt wird. Die aus dem Gewichtsverhältnis bestimmten
Volumenverhältnisse stimmen mit exakt gemessenen Volumenverhältnissen im
wesentlichen überein.
(Beispiel 2)
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Ultrafeine Aluminiumoxidteilchen wurden im Verhältnis von 0,7,
1, 2, 4, 8, 15 bzw. 20 Gew.-% zu dem hitzehärtbaren Harz, das in
Beispiel
1 erhalten wurde, hinzugefügt und zur Dispersion in einer
Sandmühle vermischt. Die Carbonisierung wurde wie in Beispiel 1 bei 1200ºC
durchgeführt.
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Eine Vermessung der Proben durch Röntgenbeugung zeigte, daß
das erhaltene Verbundmaterial aus glasartigem Kohlenstoff gleichförmig
mit ultrafeinen Aluminiumoxidteilchen dispergiert war. Die
Biegefestigkeit der Proben mit Aluminiumoxidzusätzen von 0,7, 1, 2, 4, 8, 15 und 20
Gew.-% betrug 1000, 1020, 1050, 1080, 1080, 1060, bzw. 1010 kg/cm².
(Beispiel 3)
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Ultrafeine Teilchen von Titanoxid (Nippon Aerogel, Titanium
oxide P25) mit der mittleren Primärteilchengröße von 21 nm wurden im
Verhältnis von 2 bzw. 5 Gew.-% zu dem in Beispiel 1 erhaltenen
hitzehärtbaren Harz hinzugegeben und zur Dispersion in einer Sandmühle
vermischt. Die Carbonisierung wurde wie in Beispiel 1 bei 1200ºC
durchgeführt.
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Eine Vermessung der Proben durch Röntgenbeugung zeigte, daß
der erhaltene Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff gleichförmig
mit ultrafeinen Teilchen von Titancarbid dispergiert war. Die
Biegefestigkeit der Proben mit Zusätzen von 2 und 5 Gew.-% betrug 1020 bzw.
1050 kg/cm².
(Beispiel 4)
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100 Teile einer Mischung von kugelförmigem halbgehärtetem
Phenolharz (Kanebo Co., Ltd., Bell Pearl) und Novolak-Harzpulver wurde
mit 2 bzw. 5 Gewichtsanteilen der in Beispiel 1 verwendeten ultrafeinen
Aluminiumoxidteilchen versetzt und durch Erhitzen unter Verwendung einer
Heißpresse gepreßt, um Streifen von verbundgehärtetem Harz zu erhalten.
Die Streifen von mischgehärtetem Harz wurden im Stickstoffdurchfluß mit
einer Rate 10ºC/h auf 1200ºC erhitzt, bei dieser Temperatur 2 Stunden
gehalten und abgekühlt. Die Biegefestigkeit der Proben mit Zusätzen von
2 und 5 Gew.-% betrug 1050 bzw. 1060 kg/cm².
(Beispiel 5)
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Eine Mischung mit 500 Teilen Furfurylalkohol und 480
Teilen von 92% Paraformaldehyd wurde verrührt und bei 80ºC gelöst. Eine
Mischung mit 520 Teilen Phenol, 8,8 Teilen Natriumhydroxid und 45 Teilen
Wasser wurde tropfenweise unter Rühren hinzugegeben. Nachdem die Zugabe
abgeschlossen war, wurde die Mischung für 3 Stunden bei 80ºC reagiert.
Eine Mischung mit 80 Teilen Phenol, 8,8 Teilen Natriumhydroxid und 45
Teilen Wasser wurde außerdem hinzugegeben, und die resultierende
Mischung wurde für 4,5 Stunden bei 80ºC reagiert und anschließend auf 30ºC
abgekühlt. Daraufhin wurde die Mischung mit 70% p-Toluolsulfonsäure
neutralisiert. Die neutralisierte Mischung wurde unter reduziertem Druck
zur Entfernung von 150 Teilen Wasser entwässert und anschließend mit 500
Teilen Furfurylalkohol versetzt. Die Viskosität des so erhaltenen Harzes
betrug 680 cP bei 25ºC. Die Wassermenge, die der Harz aufnehmen konnte,
wurde zu 38% bestimmt.
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Das Ausgangskondensat des hitzehärtbaren Harzes wurde mit 2
Gew.-% bzw. 5 Gew.-% ultrafeiner Aluminiumoxidteilchen versetzt und zur
Dispersion in einer Sandmühle vermischt. Die Carbonisierung wurde wie in
Beispiel 1 bei 1200ºC durchgeführt. Die Biegefestigkeit der Proben mit
Zusätzen von 2 und 5 Gew.-% betrug 1070 bzw. 1090 kg/cm².
(Beispiel 6)
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Das Ausgangskondensat des in Beispiel 1 erhaltenen
hitzehärtbaren Harzes wurde mit ultrafeinen Teilchen von alpha-artigem
Siliciumcarbid (Hakusui Chemical Co., Ltd.) im Verhältnis von 2 Gew.-% bzw. 5
Gew.-% versetzt und zur Dispersion in einer Sandmühle vermischt. Die
Carbonisierung wurde wie in Beispiel 1 bei 1200ºC durchgeführt.
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Eine Vermessung durch Röntgenbeugung zeigte, daß die
erhaltenen Proben ein Verbundmaterial aus glasartigem Kohlenstoff mit
alphaartigem Siliciumcarbid waren. Die Biegefestigkeit der Proben mit
Zusätzen von 2 und 5 Gew.-% betrug 1080 bzw. 1090 kg/cm².
(Beispiel 7)
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Eine Mischung mit 500 Teilen Furfurylalkohol und 480
Teilen
von 92% Paraformaldehyd wurde verrührt und bei 80ºC aufgelöst. Eine
Mischung mit 520 Teilen Phenol, 8,8 Teilen Natriumhydroxid und 45 Teilen
Wasser wurde tropfenweise unter Rühren hinzugegeben. Nachdem die Zugabe
abgeschlossen war, wurde die Mischung für 3 Stunden bei 80ºC reagiert.
Eine Mischung mit 80 Teilen Phenol, 8,8 Teilen Natriumhydroxid und 45
Teilen Wasser wurde außerdem hinzugefügt, und die resultierende Mischung
wurde für 4,5 Stunden bei 80ºC reagiert und auf 30ºC abgekühlt. Die
Mischung wurde dann mit 70% p-Toluolsulfonsäure neutralisiert. Die
neutralisierte Mischung wurde zur Entfernung von 150 Teilen Wasser unter
reduziertem Druck entwässert und anschließend mit 500 Teilen
Furfurylalkohol versetzt. Die Viskosität des erhaltenen Harzes betrug 680 cP bei
25ºC. Die Wassermenge, die das Harz aufnehmen konnte, wurde zu 38%
bestimmt.
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Das hitzehärtbare Harz wurde in eine Form von 5 mm Dicke
gegeben und unter reduziertem Druck entschäumt. Das Harz wurde daraufhin
für 3 Stunden bei 50 - 60ºC und für weitere 5 Tage bei 90ºC reagiert.
Der Streifen des Harzes wurde in einen Rohrofen gegeben, im
Stickstoffdurchfluß mit einer Rate von 2 - 5ºC/h auf 1200ºC erhitzt, bei dieser
Temperatur für 2 Stunden gehalten und abgekühlt. Das glasartige
Kohlenstoffmaterial wurde daraufhin in die Sonde einer HIP-Apparatur gebracht
und für 2 Stunden unter einem Druck von 2000 atm bei 1400ºC behandelt.
Die Dichte der erhaltenen Probe betrug 1,60 g/cm³ und die
Biegefestigkeit 1200 kg/cm².
(Beispiel 8)
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Das Ausgangskondensat des in Beispiel 7 erhaltenen
hitzehärtbaren Harzes wurde mit ultrafeinen Aluminiumoxidteilchen (Nippon
Aerogel, Aluminum oxide C (Delta Alumina)) mit der mittleren
Primärteilchengröße von etwa 20 nm im Verhältnis von 2 Gew.-% bzw. 5 Gew.-%
versetzt und zur Dispersion vermischt. Die Carbonisierung wurde wie in
Beispiel 7 bei 1200ºC durchgeführt. Das carbonisierte Material wurde in
die Sonde einer HIP-Apparatur gegeben und für 2 Stunden unter 1400ºC bei
2000 atm behandelt.
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Eine Vermessung mit Röntgenbeugung zeigte, daß die erhaltenen
Proben ein Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff mit
delta-Aluminiumoxid waren. Die Dichte der Proben betrug 1,65 g/cm³ bei Zugabe von 2
Gew.-% ultrafeiner Teilchen bzw. 1,73 g/cm³ bei Zugabe von 5 Gew.-%. Die
Biegefestigkeit betrug 1260 bzw. 1300 kg/cm².
(Beispiel 9)
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Das in Beispiel 7 erhaltene hitzehärtbare Harz wurde mit
ultrafeinen Teilchen von Titanoxid (Nippon Aerogel, Titanium oxide P25)
mit der mittleren Primärteilchengröße von 21 nm im Verhältnis von 2
Gew.-% bzw. 5 Gew.-% versetzt. Die resultierende Mischung wurde wie in
Beispiel 7 bei 1200ºC carbonisiert und anschließend in einer
HIP-Apparatur bei 1400ºC unter 2000 atm behandelt.
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Eine Vermessung durch Röntgenbeugung zeigte, daß die Proben
ein Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff mit Titancarbid waren.
Die Dichte und die Biegefestigkeit der mit 2 Gew.-% und 5 Gew.-%
versetzten Proben betrugen 1,63 g/cm³ und 1220 kg/cm² bzw. 1,68 g/cm³ und
1300 kg/cm².
(Beispiel 10)
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Das in Beispiel 7 erhaltene hitzehärtbare Harz wurde mit
ultrafeinen Teilchen von Siliciumcarbid (Hakusui Chemical Co., Ltd.,
alpha-SiC) mit der mittleren Primärteilchengröße von 0,06 µm im Verhältnis
von 2 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% versetzt und zur Dispersion in einer
Sandmühle vermischt. Die resultierende Mischung wurde wie in Beispiel 7 bei
1200ºC carbonisiert und anschließend in einer HIP-Apparatur bei 1400ºC
und 2000 atm behandelt.
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Eine Vermessung durch Röntgenbeugung zeigte, daß die
erhaltenen Proben ein Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff mit
alphaartigem Siliciumcarbid waren. Die Dichte und die Biegefestigkeit dieser
Proben mit Zusätzen von 2 Gew.-% und 5 Gew.-% betrugen 1,68 g/cm³ und
1250 kg/cm² bzw. 1,75 g/cm³ und 1280 g/cm².
(Beispiel 11)
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Das in Beispiel 7 erhaltene hitzehärtbare Harz wurde mit
Whiskern von beta-artigem Siliciumcarbid mit dem Durchmesser von 0,05 - 1,5
µm, der Länge von 20 - 200 µm und dem spezifischen Gewicht von 3,18
(Tateho Chemical Industries Co., Ltd., Silicon carbide whisker SCW) im
Verhältnis von 2 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% versetzt. Polyethylenoxid
(Molekulargewicht 600.000 - 1.100.000) wurde als wässriger Zusatz im Verhältnis
von 0,25 Gew.-% zugegeben und zur Dispersion in einer Sandmühle
vermischt. Die resultierende Mischung wurde wie in Beispiel 7 bei 1200ºC
carbonisiert und anschließend in einer HIP-Apparatur bei 1400ºC und 2000
atm behandelt.
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Eine Vermessung mit Röntgenbeugung zeigte, daß der erhaltene
Verbundwerkstoff aus glasartigem Kohlenstoff beta-artiges Siliciumcarbid
enthielt. Die Dichte und die Biegefestigkeit bei Zusätzen von 2 Gew.-%
und 5 Gew.-% betrugen 1,67 g/cm³ und 1900 kg/cm² bzw. 1,74 g/cm³ und
2400 kg/cm².
(Vergleich 1)
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Zum Vergleich der Beispiele 1 bis 10 wurden
Aluminiumoxidkeramiken (Nippon Electric Glass Co., Ltd., "Neoceram") im Vergleich 1
in den folgenden Tests verwendet.
(Vergleich 2)
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In gleicher Weise wurde Calciumtitanat (Sumitomo Special
Metals Co., Ltd., "TC-105") als Vergleich 2 verwendet.
(Vergleich 3)
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Zum Vergleich der Effekte des Mischverhältnisses wurden 0,3
Volumen-% ultrafeiner Aluminiumoxidteilchen zum glasartigen Kohlenstoff
in derselben Weise wie in Beispiel 1 zur Herstellung eines
Verbundwerkstoffs hinzugegeben.
(Vergleich 4)
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In der gleichen Weise wie im Beispiel 1 wurden 25 Volumen-%
ultrafeiner Aluminiumoxidteilchen zum glasartigen Kohlenstoff zur
Herstellung eines Verbundmaterials hinzugegeben.
(Vergleich 5)
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Zum Vergleich der Effekte der Carbonisierungsbehandlungen
wurden die im Prozeß von Beispiel 6 erhaltenen Streifen von hitzehärtbarem
Harz ohne Behandlung in einer HIP-Apparatur auf 1400ºC erhitzt. Die
Dichte der erhaltenen Probe betrug 1,51 g/cm³ und die Biegefestigkeit
1000 kg/cm².
(Vergleich 6)
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In gleicher Weise wie in Beispiel 10 wurde das in Beispiel 7
erhaltene hitzehärtbare Harz mit ultrafeinen Teilchen von Siliciumcarbid
im Verhältnis von 2 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% versetzt und zur Dispersion in
einer Sandmühle vermischt. Eine Hitzebehandlung wurde durch Setzen der
Temperatur auf 1400ºC durchgeführt. Es wurde keine HIP-Behandlung
durchgeführt.
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Eine Vermessung durch Röntgenbeugung zeigte, daß die
erhaltenen Proben ein Verbundmaterial von alpha-artigem Siliciumcarbid und
glasartigem Kohlenstoff waren. Die Dichte und die Biegefestigkeit der
Proben mit Zusätzen von 2 Gew.-% und 5 Gew.-% betrugen 1,55 g/cm³ und
1080 kg/cm² bzw. 1,59 g/cm³ und 1090 kg/cm².
(Vergleich 7)
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In gleicher Weise wie in Beispiel 10 wurde das in Beispiel 1
erhaltene hitzehärtbare Harz mit ultrafeinen Teilchen von Siliciumcarbid
im Verhältnis von 2 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% versetzt und zur Dispersion in
einer Sandmühle vermischt. Die Mischungen wurden bei 700ºC
hitzebehandelt und bei 1400ºC und 2000 atm HIP-behandelt.
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Eine Vermessung durch Röntgenbeugung zeigte, daß die
erhaltenen Proben ein Verbundmaterial mit alpha-artigem Siliciumcarbid und
glasartigem Kohlenstoff waren. Die Dichte und die Biegefestigkeit der
Proben mit Zugaben von 2 Gew.-% und 5 Gew.-% betrugen 1,67 g/cm³ und
1000 kg/cm² bzw. 1,74 g/cm³ und 1050 kg/cm².
(Vergleich 8)
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In gleicher Weise wie in Beispiel 10 wurde das in Beispiel 7
erhaltene hitzehärtbare Harz mit ultrafeinen Teilchen von Siliciumcarbid
im Verhältnis von 2 Gew.-% bzw. 5 Gew.-% versetzt und zur Dispersion in
einer Sandmühle vermischt. Die Mischungen wurden bei 1200ºC
hitzebehandelt und bei 1600ºC und 2000 atm HIP-behandelt.
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Eine Vermessung durch Röntgenbeugung zeigte, daß die Proben
ein Verbundmaterial mit alphaartigem Siliciumcarbid und glasartigem
Kohlenstoff und dem graphitierten Anteil waren. Die Dichte und die
Biegefestigkeit der Proben mit Zusätzen von 2 Gew-% und 5 Gew.-% betrugen 1,69
g/cm³ und 1200 kg/cm² bzw. 1,76 g/cm³ und 1200 kg/cm².
(Tests und Ergebnisse)
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Die in den obigen Beispielen 1 bis 11 und Vergleichen 1 bis 8
erhaltenen Proben wurden verarbeitet und der Reibungskoeffizient und das
Ausmaß an Abrieb wurden bestimmt.
(i) Messung des Reibungskoeffizienten
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Fig. 1 zeigt die Form eines zur Messung des
Reibungskoeffizienten verwendeten Teststücks Die Teststücke wurden durch Ausschneiden
eines Stücks aus jeder der in den Beispielen 1 bis 11 und den
Vergleichen 1 bis 8 erhaltenen Proben von der Form eines Quaders (Breite a 4,0
mm x Tiefe b 6,0 mm x Höhe h 3,0 mm) erhalten. Die gleitende Oberfläche
A wurde allmählich unter Verwendung von Emery-Papier #15000 von rauh bis
glatt abgeschliffen, um schließlich eine Hochglanzfläche zu erhalten.
Die die gleitende Oberfläche A umgebenden Kanten wurden mit grobkörnigem
Emery-Papier auf einen Radius von 0,2 - 0,3 mm abgerundet, um Teststücke
zur Messung des Reibungskoeffizienten herzustellen.
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Unter Verwendung der Teststücke wurde der Reibungskoeffizient
mit dem sogenannten "Stift-auf-Scheibe-Verfahren" bestimmt. Die
Teststücke wurden auf einer als Antriebsvorrichtung einer Floppy-Disk
verwendeten Bügelfeder befestigt, von oben mit einer Last von ca. 20 g
versehen und gegen die mit einer beliebigen Geschwindigkeit rotierende
Achse sowie gegen die auf einer rotierenden Scheibe befestigte Floppy-
Disk gleiten gelassen. Die Reibungskraft wurde zur Abschätzung des
Reibungskoeffizienten µ anhand eines Dehnungsmeßstreifens, der am Arm der
Vorrichtung befestigt wurde, bestimmt.
(ii) Messung des Abriebes
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Fig. 2 zeigt die Form einer zur Abriebmessung verwendeten
Probe. Jedes Teststück wurde auf seiner gleitenden Oberfläche A mittels
einer Schneidemaschine mit Einschnitten der Breite w von 0,5 mm und der
Tiefe d von wenigen µm versehen. Der Abstand r vom Rand des Einschnitts
beträgt 2,0 mm. Unter Verwendung eines Präzisionsmeßgeräts (Kosaka
Laboratories, Co., Ltd., HIPOSS ET-10) wurde das Querschnittsprofil des
Einschnitts zur Bestimmung der Einschnittiefe erhalten. Das Teststück wurde
an einer Bügelfeder befestigt, welche auf dem Kopfstück einer Floppy-
Disk-Antriebsvorrichtung angebracht war. Das Teststück wurde mit einer
Last von 20 g versehen und gegen die Floppy-Disk gleiten gelassen. Bei
jeder Bewegung des Kopfes um eine Bahnspur rotiert die Floppy-Disk unter
Verursachung eines Abriebs des Teststücks Die Einschnittiefe des
Teststücks wurde zur Bestimmung des Abriebgrades chronologisch gemessen.
(iii) Testergebnisse
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Testergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 8 gezeigt; die
Tabellen 1 bis 6 zeigen die Testergebnisse der Beispiele 1 bis 6, wo
ultrafeine Teilchen hinzugegeben wurden. Tabelle 7 zeigt die in den
Beispielen 7 bis 11 erhaltenen Ergebnisse, wo eine Vorbehandlung und eine
Hitzebehandlung unter hohem Druck durchgeführt wurde. Tabelle 8 zeigt
die Testergebnisse der Vergleiche 1 bis 8. In diesen Tabellen bezeichnen
"Menge an feinen Teilchen" oder "Menge der Zugabe" die Menge der Zugabe
in Volumenanteilen in bezug auf 100 Volumenanteile glasartigen
Kohlenstoffs. In der Spalte "Art der Scheibe" bedeutet das Bezugszeichen A
eine gamma-Fe&sub2;O&sub3;-überzogene Scheibe und das Bezugszeichen B eine
Co-Cr-gesputterte Scheibe.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Tabelle 9