DE4009351C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von keramischen und/oder metallischen Fasern durch
Zerteilen eines Schmelzestrahls mittels dynamischer Verfahren.
Qualitativ hochwertige Fasern können aus verschiedenen Materia
lien nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.
Durch Beschichtung metallischer Drähte mittels Abscheidung aus
der Gasphase (CVD) werden z. B. Bor- und Siliziumkarbid-Fasern
hergestellt. Nicht in allen Fällen ist jedoch der Metallanteil
dabei erwünscht, z. B. wird durch die Metall-Seele ein hohes Ge
wicht und eine begrenzte Einsatztemperatur bedingt. Meist sind
die Durchmesser derartiger Fasern groß, und die damit verbundene
geringe Flexibilität schränkt die Möglichkeiten für die Verbund
werkstoffherstellung ein.
Keramik-Fasern, die durch Füllen von Polymer-Kapillaren mit Kera
mikschlicker, Trocknen, Brennen und Sintern hergestellt wurden,
sind wegen der großen Durchmesser von meist mehr als 100 µm wenig
flexibel und besitzen nur eine dem Bulkmaterial entsprechende Fe
stigkeit.
Die Herstellung von Keramik-Fasern aus Schmelzen führt aufgrund
der guten Homogenität, Porenfreiheit und Mikrokristallinität zu
einer extrem guten Faserqualität.
Typische Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Schmelzen sind
das Zerblasen eines Schmelzestrahls, das Abschleudern der Schmel
ze von einem rotierenden Teller, wie aus DE 29 54 313 A1 be
kannt, oder das Spinnen aus der Schmelze.
Diese Verfahren zur Faserherstellung funktionieren jedoch nur,
wenn die Viskosität der Schmelze hoch und ihre Oberflächenspan
nung gering ist, d. h. nur bei bestimmten Oxiden und Mischoxiden,
nicht bei Metallen. Erreicht wird diese Viskosität durch hohe
SiO2-Anteile, wie z. B. bei Stein-, Basalt- oder Glaswolle. Aller
dings ist die Verwendung der Fasern bei höheren Temperaturen auf
grund der geringen mechanischen Stabilität sehr eingeschränkt.
Weiterhin ist aus DE 35 28 169 A1 bekannt, daß mit Hilfe elek
trischer Hochspannung, die zusätzlich an eine abschmelzende Me
tallelektrode angelegt wird, feine refraktäre Metallpulver er
zeugt werden.
Whisker werden mit sehr langsamen und damit teuren Prozessen aus
der Lösung oder aus der Gasphase hergestellt. Sie besitzen nahezu
theoretische Festigkeit. Ihre Verwendung ist jedoch wegen gesund
heitlicher Risiken eingeschränkt.
Allen diesen Verfahren, außer der Faserherstellung aus der hoch
viskosen Schmelze durch Zerblasen, Abschleudern oder Verspinnen,
haftet der Nachteil an, daß sie sehr aufwendig sind und nicht zu
einer wirtschaftlich vertretbaren Ausbeute an feinen Fasern füh
ren.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von bekannten Zer
teilungsverfahren durch Schleuderteller oder mittels Gasverdü
sung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es er
möglichen, auf einfache Weise zu einer nahezu 100%igen Ausbeute
an feinen Keramik- und/oder Metallfasern zu gelangen.
Dabei sollen unter Fasern solche Aggregate verstanden werden, die
einen Durchmesser bis zu 50 µm (D < 50 µm) und ein Länge-zu-Durch
messer-Verhältnis von mehr als 5 (L/D < 5) aufweisen. Diese Fasern
können kompakt sein oder je nach Abkühlungsgeschwindigkeit eine
gewollte Porosität von bis zu 10% besitzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und
nebengeordnetem Anspruch 15.
Die geringe Viskosität und hohe Oberflächenspannung aller Mate
rialien mit hoher theoretischer Festigkeit, wie z. B. Keramiken, insbesondere
Al₂O₃ und Metalle, steht einer Herstellung von Fasern aus der
Schmelze entgegen. Es entsteht bei Anwendung der genannten typi
schen Verfahren Pulver.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Oberflä
chenspannung durch das Aufbringen von Ladungsträgern zu verrin
gern. Dabei werden die auf die Oberflächen-Moleküle wirkenden un
symmetrischen einseitigen Anziehungskräfte durch die innen lie
genden Atome oder Moleküle durch Abstoßungskräfte der in die
Oberfläche von außen aufgebrachten gleichnamigen Zusatz-Ladungs
träger - z. B. Elektronen mittels Elektronendusche - zumindest
teilweise kompensiert. Die Folge ist eine Verringerung der Ober
flächenspannung. Andererseits kann die sehr geringe Viskosität
von Flüssigkeiten (Schmelzflüssigkeiten) durch Zugabe von Fest
stoffpartikel erhöht und damit das Oberflächenspannungs/Viskosi
tätsverhältnis weiter optimiert wird.
Dabei wird das Verfahren zum Herstellen keramischer und/oder me
tallischer Fasern so durchgeführt, daß auf die durch Zerteilen
einer Schmelze mittels einer Gaszerstäubung oder eines Rotations
verfahrens sich ablösenden oder abgelösten Schmelzefäden Zusatz
ladungen aufgebracht werden, so daß die Schmelzefäden bis zur Er
starrung zu Fasern in ihrer Form weitgehend stabilisiert werden.
Als besonders geeignet haben sich reine Metall- oder Keramik
schmelzen erwiesen, also solche, die außer dem Metall- bzw. Kera
mikanteil sowie rohstoff- und erschmelzungsbedingten Verunreini
gungen keine unlöslichen Anteile aufweisen.
In bestimmten Fällen hat es sich als günstig erwiesen, auch solche
Schmelzen mit Dispersionsanteilen zu verwenden.
Dabei kann die Erstarrung der Schmelzefäden derart gesteuert wer
den, daß je nach bevorzugter Ausbildung amorphe oder kristalline
Fasern gewonnen werden.
Mittels einer Einstellung des Anteils an ungelösten Komponenten
in der Schmelze ist über die Beeinflussung der Viskosität der Fa
serdurchmesser steuerbar.
Günstigerweise kann dies ebenso durch die Stärke der elektrischen
Beladung oder bei Verwendung des Schleudertellers durch die ein
zustellende Drehzahl geschehen.
Die Herstellung der Schmelze kann dabei in einem Tiegel durch In
duktions-, Widerstands-, Lichtbogen-, Elektronenstrahl- oder Gas
heizung erfolgen, oder tiegelfrei durch Aufschmelzen des oberflä
chennahen Volumens eines nachgeführten rotierenden Materialstabs
mittels Elektronenstrahl, Laser oder fokussierte Strahlung derart
erfolgen, daß eine gewünschte Oberflächenkontur, vorzugsweise ei
ne Trichterform, erhalten bleibt.
Die so erhaltenen Fasern zeichnen sich durch hohe Homogenität,
hohe Oberflächengüte und hohe Festigkeit aus.
Diese Fasern sind besonders geeignet zur Verwendung als Vlies,
aber auch weiterverarbeitet als Fäden, Garne und Gewebe in den
Anwendungsgebieten Filter, Stützkörper von Verbundwerkstoffen und
Membranträgerkörper.
Eine Vorrichtung zur Durchführung der in den Ansprüchen 1 bis 14
genannten Verfahren besteht (siehe Abb. 1) bevorzugt aus einem in einer gasflut
baren und/oder evakuierbaren Kammer befindlichen elektrisch iso
lierten trichterförmigen Schleuderteller mit drehzahlgeregeltem
Antrieb, auf dessen Zentrum der aus einem beheizten Tiegel flie
ßende Schmelzestrahl geleitet wird und aus einer Elektronendusche
mit Kaltgasdüsen, die ringförmig neben dem Rand des Schleudertel
lers so angeordnet ist, daß die austretenden Elektronen auf ihrem
Weg zur ringförmigen, unterhalb der Schleudertellerkante befind
lichen Gegenelektrode, wie auch das austretende Kaltgas die sich
ablösenden oder abgelösten Schmelzefäden treffen, aufladen und zu
Fasern erstarren lassen. Dabei wird die Abkühlgeschwindigkeit
durch Gasmenge, Gastemperatur oder die Verwendung von Gasen ver
schiedener Wärmeleitfähigkeit reguliert. Die Fasern werden an ei
ner Prallfläche aufgefangen und gesammelt. Die Tiegelbeheizung
kann günstigerweise durch Induktions-, Widerstands-, Lichtbogen-,
Elektronenstrahl- oder Gasheizung erfolgen. Bei Verwendung eines
tiegelfreien Aufschmelzverfahrens (siehe Abb. 2) werden Elektronenstrahl, Laser
oder fokussierte Strahlung, zwecks Erhaltung der Oberflächenkon
tur, unter definiertem Winkel auf einen rotierenden, nachführba
ren Materialstab geleitet. Ferner kann die Vorrichtung eine Zu
satzeinrichtung zum kontinuierlichen Abziehen zwecks Weiterverar
beitung des Vlieses beinhalten.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß
auf einfache Weise dichte hochfeste Fasern mit hoher Reinheit aus
niedrigviskosen Flüssigkeiten, wie Metall- und Keramik-Schmelzen
erhalten werden.
Der Effekt der Herabsetzung der Oberflächenspannung mittels Ober
flächenaufladung auf die Faserbildung konnte mit der Modellsub
stanz Wasser (auf einem rotierenden Teller), die physikalisch be
züglich der Viskosität und Oberflächenspannung einer Al2O3-
Schmelze ähnlich ist, deutlich demonstriert werden. Die Länge der
sich beim Zentrifugieren zunächst bildenden Wasserfäden konnte
mittels einer Elektronendusche (25 kV, 300 µA) um einen Faktor 3
auf ca. 10 mm erhöht werden bei gleichzeitiger Verringerung des
Querschnitts.
In einem Tiegel wird eine Al₂O₃-Schmelze durch Lichtbogenheizung
hergestellt. Die Schmelze fließt nach Öffnen eines Auslaufs auf
einen Rotationsteller, der sich mit 6000 U/min dreht. Die Schmelze
wird zentrifugiert. Am Tellerrand befindliche Schmelzfäden werden
mit Hilfe einer Elektronendusche, die mit einer Spannung von 40 kV
betrieben wird, elektrisch geladen. Die entstehenden ca. 5 mm lan
gen Fäden erstarren außerhalb des Tellerrandes und reißen vom Tel
lerrand ab. Die so gebildeten Fasern werden gesammelt.
Claims (16)
1. Verfahren zum Herstellen von keramischen und/oder metalli
schen Fasern durch Zerteilen einer Schmelze mittels einer
Gaszerstäubung oder mittels eines Rotationsverfahrens, da
durch gekennzeichnet, daß auf die sich ablösenden oder abge
lösten Schmelzefäden derart Oberflächen-Zusatzladung aufge
bracht wird, daß die Schmelzefäden bis zur Erstarrung zu Fa
sern in ihrer Form weitgehend stabilisiert werden und ein
schneller Zerfall in Tröpfchen verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Schmelze eine Metall- oder Metallegierungsschmelze verwendet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Schmelze eine Metall- oder Metallegierungsschmelze mit unlös
lichen oder nur zum Teil löslichen Bestandteilen verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Schmelze eine Keramikschmelze verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Schmelze eine Keramikschmelze mit unlöslichen oder nur zum
Teil löslichen Bestandteilen verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gefügestruktur der Fasern durch die
Abkühlgeschwindigkeit amorph eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gefügestruktur der Fasern durch die
Abkühlgeschwindigkeit kristallin eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser im Bereich von 0.1
bis 50 µm durch die Veränderung der elektrischen Beladung ge
steuert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser im Bereich von 0.1
bis 50 µm durch die Veränderung des Anteils an Dispersionsma
terial gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser im Bereich von 0.1
bis 50 µm bei Verwendung eines Schleudertellers durch die
Veränderung der Drehzahl des Schleudertellers gesteuert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Schleudertellers die
elektrische Beladung der Flüssigkeit durch Besprühen mit
elektrischen Ladungen bei elektrischer Isolation des Schleu
dertellers und des Schmelztiegels bzw. des Flüssigkeitsbehäl
ters erreicht wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Schleudertellers ein
Schmelzestrahl auf den Schleuderteller geleitet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Anwendung des Rotationsverfahrens die
Schmelze durch Verwendung von Elektronenstrahl, Laser oder
fokussierter Strahlung aus einem nachführbaren Materialstab
hergestellt wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Materialstabs derart
durchgeführt wird, daß sich während der Faserherstellungen
ständig eine gewünschte Kontur, insbesondere eine Trichter
form, ergibt.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 14, mit einer Vakuum- oder Schutzgaskammer,
einer ringförmigen, kühlgasdurchströmten Hochspannungselek
trode und geerdeten Gegenelektrode, mit Ringdüsensystem,
einer in der Kammer befindlichen Prallfläche, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- a) die Schmelze in einem Schmelztiegel aufbereitet wird, dessen Auslauf zentral über dem Schleuderteller angeordnet ist;
- b) die Elektronen-Dusche und Kühlgasdüsen so angeordnet sind, daß die über den Rand des Schleudertellers hinaus gehenden Schmelzfäden elektrisch geladen und abgekühlt werden.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 14, mit einer Vakuum- oder Schutzgaskammer,
einer ringförmigen, kühlgasdurchströmten Hochspannungselek
trode und geerdeten Gegenelektrode, mit Ringdüsensystem,
einer in der Kammer befindlichen Prallfläche, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- a) die Schmelze durch Laser, fokussiertes Licht oder Elek tronenstrahl an der Oberfläche des rotierenden nachführbaren Materialstabes erzeugt wird;
- b) der Materialstab gleichzeitig Schleuderteller ist;
- c) die Elektronen-Dusche und Kühlgasdüsen so angeordnet sind, daß die über den Rand des Schleudertellers hinaus gehenden Schmelzfäden elektrisch geladen und abgekühlt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4009351A DE4009351A1 (de) | 1989-03-28 | 1990-03-23 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramischen und/oder metallischen fasern |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3910068 | 1989-03-28 | ||
DE4009351A DE4009351A1 (de) | 1989-03-28 | 1990-03-23 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramischen und/oder metallischen fasern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4009351A1 DE4009351A1 (de) | 1990-10-04 |
DE4009351C2 true DE4009351C2 (de) | 1991-09-19 |
Family
ID=25879279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4009351A Granted DE4009351A1 (de) | 1989-03-28 | 1990-03-23 | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramischen und/oder metallischen fasern |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4009351A1 (de) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4127121A1 (de) * | 1991-08-16 | 1993-02-18 | Aloys Dr Wuestefeld | Verfahren zum herstellen von keramikfasern, mit dem verfahren herstellbare keramikfasern sowie keramikfasern enthaltende teilchenverbundwerkstoffe |
DE4241514C2 (de) * | 1992-12-10 | 1995-09-07 | Freudenberg Carl Fa | Verfahren zur Herstellung eines mit Dipolen beladenen Flächengebildes und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
WO2014187941A1 (de) * | 2013-05-24 | 2014-11-27 | J. C. Binzer Gmbh & Co. Kg | Verfahren und vorrichtung zur herstellung mikrofeiner fasern und filamente |
CN105252009B (zh) * | 2015-10-16 | 2017-03-29 | 南京理工大学 | 一种微细球形钛粉末的制造方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3528169A1 (de) * | 1985-08-06 | 1987-02-19 | Peter Dipl Ing Zeitz | Verfahren zur tiegelfreien herstellung von schnellabgeschrecktem pulver aus reaktiven und refraktaeren metallen |
-
1990
- 1990-03-23 DE DE4009351A patent/DE4009351A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4009351A1 (de) | 1990-10-04 |
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