DE60104429T2

DE60104429T2 - Verfahren zur herstellung von metallmatrixverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE60104429T2
Application number: DE60104429T
Authority: DE
Inventors: W. Michael CARPENTER; L. John SINZ; S. Paul WERNER; A. Lawrence CRUM; E. Herve DEVE
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2021-02-23
Also published as: CA2414569C; DE60104429D1; CN1443250A; KR20030063336A; AU2001243223A1; CN1252306C; US6485796B1; CA2414569A1; WO2002006551A1; EP1301644B1; EP1301644A1; ATE271618T1; KR100770811B1; JP2004504484A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen kontinuierlicher, länglicher Metallmatrixverbundwerkstoffe, die mit im Wesentlichen kontinuierlichen Fasern in einer Metallmatrix verstärkt sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Metallmatrixverbundstoffe ("metal matrix composites" – MMCs) sind seit langem wegen ihrer Kombination aus hoher Festigkeit und Steifheit in Verbindung mit geringem Gewicht als vielversprechende Materialien anerkannt. MMCs enthalten für gewöhnlich eine mit Fasern verstärkte Metallmatrix. Beispiele für Metallmatrixverbundstoffe umfassen Aluminiummatrixverbunddrähte (z. B. Silikoncarbid-, Kohlenstoff-, Bor- oder polykristalline Alpha-Aluminiumoxid-Fasern in einer Aluminiummatrix), Titanmatrixverbunddrähte und -bänder (z. B. Silikoncarbidfasern in einer Titanmatrix) und Kupfermatrixverbundbänder (z. B. Silikoncarbidfasern in einer Kupfermatrix).
Es ist bekannt, dass vorhandene Defekte im Draht, wie intermetallische Phasen, trockene (d. h., unbeschichtete) Faser, Porosität infolge zum Beispiel einer Schrumpfung oder eines inneren Gases (z. B. Wasserstoff oder Wasserdampf), Hohlräume, usw., Eigenschaften, wie die Festigkeit des Drahtes, verschlechtern. Diese Defekte können aus Unreinheiten in Bestandteilen (d. h., im Material der Metallmatrix und der Faser), aus Unverträglichkeit der Bestandteile, wie auch aus einer unvollständigen Infiltration der Metallmatrix in die Fasern resultieren.
Die Verwendung einiger Metallmatrixverbunddrähte als Verstärkungselement in blanken Elektroenergie übertragungskabeln ist von besonderem Interesse. Der Bedarf an neuen Materialien in solchen Kabeln wird von dem Bedarf an einer Erhöhung der Energieübertragungskapazität bestehender Übertragungsinfrastruktur aufgrund der Lastzunahme und Änderungen im Energiefluss aufgrund einer Deregulierung angetrieben.
Die Verfügbarkeit einer größeren Vielfalt von Drähten, einschließlich einer Vielfalt verschiedener Drahtdurchmesser, ist für die Bereitstellung einer größeren Designvariation in Kabelkonstruktionen wünschenswert. Zum Beispiel kann eine größere Vielfalt an Drähten unterschiedlicher Durchmesser Kabel in einem weiteren Bereich von Durchmessern wie auch in einem weiteren Bereich von Steifheit oder Flexibilität bereitstellen. Ein weiterer Bereich von Durchmessern ermöglicht auch einen weiteren Bereich an Kabeldesigns, wie größere Kabeldurchmesser wie auch eine einfache Herstellung von Kabeln. Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen eines im Wesentlichen kontinuierlichen Metallmatrixverbunddrahts mit relativ großem Durchmesser.
Ferner besteht ein anhaltender Bedarf an Verfahren zum Herstellen von Metallmatrixverbundartikeln, wie Drähten und Bändern, mit gewünschten oder verbesserten Leistungseigenschaften, wie hoher Festigkeit.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft kontinuierliche Verfahren zum Herstellen von im Wesentlichen kontinuierlichen, länglichen Fasermetallmatrixverbundstoffen, wie in Anspruch 1 definiert. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen erwähnt und betreffen ein Verfahren zum Herstellen von Metallmatrixverbundstoffen (z. B. Verbunddrähten) mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen kontinuierlichen, in Längsrichtung positionierten Fasern, die in einer Metallmatrix enthalten sind. Die Infiltration in den Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei atmosphärischem Druck ausgeführt, im Gegensatz zu Druckinfiltrationsverfahren zum Herstellen von Metallmatrixverbundmaterialien.
Metallaluminiummatrixverbundstoffe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, weisen vorzugsweise in Bezug auf Elastizitätsmodul, Dichte, Wärmeausdehnungskoeffizient, elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit wünschenswerte Eigenschaften auf.
Vorzugsweise weisen die Mehrzahl von Fasern die Form eines Wergs oder von Wergen auf.
In einem anderen Aspekt haben Artikel, die nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, vorzugsweise eine Länge von mindestens 10 Metern (vorzugsweise von mindestens 25 Metern, 50 Metern, 100 Metern, 200 Metern, 300 Metern, 400 Metern, 500 Metern, 600 Metern, 700 Metern, 800 Metern 900, Metern 1000 Metern oder mehr). In einem anderen Aspekt haben Artikel, die nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, vorzugsweise eine Mindestdimension von mindestens 2,5 mm (insbesondere mindestens 3 mm oder 3,5 mm) über eine Länge von mindestens 10 Metern (vorzugsweise von mindestens 25 Metern, 50 Metern, 100 Metern, 200 Metern, 300 Metern, 400 Metern, 500 Metern, 600 Metern, 700 Metern, 800 Metern, 900 Metern, 1000 Metern oder mehr). Bestimmte bevorzugte Metallmatrixverbundartikel, die nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, haben eine Mindestdimension im Bereich von etwa 2,5 mm bis etwa 4 mm über eine Länge von mindestens 10 Metern (vorzugsweise von mindestens 25 Metern, 50 Metern, 100 Metern, 200 Metern, 300 Metern, 400 Metern, 500 Metern, 600 Metern, 700 Metern, 800 Metern, 900 Metern, 1000 Metern oder mehr).
In einem anderen Aspekt hat ein Draht, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, vorzugsweise eine Länge von mindestens 10 Metern (vorzugsweise von mindestens 25 Metern, 50 Metern, 100 Metern, 200 Metern, 300 Metern, 400 Metern, 500 Metern, 600 Metern, 700 Metern, 800 Metern, 900 Metern, 1000 Metern oder mehr). In einem anderen Aspekt hat ein Draht, der nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 2,5 mm (insbesondere mindestens 3 mm oder 3,5 mm) über eine Länge von mindestens 10 Metern (vorzugsweise von mindestens 25 Metern, 50 Metern, 100 Metern, 200 Metern, 300 Metern, 400 Metern, 500 Metern, 600 Metern, 700 Metern, 800 Metern, 900 Metern, 1000 Metern oder mehr): Bestimmte bevorzugte Metallmatrixverbunddrähte, die nach einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, haben einen Durchmesser im Bereich von etwa 2,5 mm bis etwa 4 mm über eine Länge von mindestens 10 Metern (vorzugsweise von mindestens 25 Metern, 50 Metern, 100 Metern, 200 Metern, 300 Metern, 400 Metern, 500 Metern, 600 Metern, 700 Metern, 800 Metern, 900 Metern, 1000 Metern oder mehr).
DEFINITIONEN
Wie hierin verwendet, sind unten stehende Begriffe wie folgt definiert:
"Im Wesentlichen kontinuierliche Faser" bezeichnet eine Faser mit einer Länge, die im Vergleich zum durchschnittlichen Faserdurchmesser relativ unbegrenzt ist. Für gewöhnlich bedeutet dies, dass die Faser ein Aspektverhältnis (d. h., Verhältnis der Länge der Faser zum durchschnittlichen Durchmesser der Faser) von mindestens etwa 1 × 10⁵, vorzugsweise mindestens etwa 1 × 10⁶ und insbesondere mindestens etwa 1 × 10⁷ hat. Für gewöhnlich haben solche Fasern eine Länge in der Größenordnung von mindestens etwa 50 Metern und können sogar Längen in der Größenordnung von Kilometern oder mehr haben, und für Artikel von weniger als 50 Meter Länge ist die Länge der Fasern für gewöhnlich die Länge des Verbundartikels.
"In Längsrichtung positioniert" bedeutet, dass die Fasern in dieselbe Richtung wie die Länge des Drahtes orientiert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlicher beschrieben, in welcher:
1 eine Photomikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahtes ist, die einen örtlichen Bereich zeigt, in dem nur die Fasern, ohne Matrix, vorhanden sind.
2 eine Rasterelektronenmikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahts ist, die eine Schrumpfungsporosität zeigt.
3 eine Rasterelektronenmikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahts ist, die Hohlräume zeigt, die durch eingeschlossenes Gas (z. B. Wasserstoff oder Wasserdampf) entstehen.
4 eine Rasterelektronenmikrographie eines Querschnitts eines Metallmatrixverbunddrahts ist, die eine Mikroporosität zeigt.
5 eine schematische Darstellung des Ultraschallgeräts ist, das zum Infiltrieren von Fasern mit geschmolzenen Metallen verwendet wird.
6 eine schematische Darstellung des Dreipunkt-Biegefestigkeits-Testgeräts ist.
7 eine schematische Darstellung des Gerätes für den "Wire Proof Test" ("Drahtüberlasttest") ist.
8 und 9 schematische Querschnitte von zwei Ausführungsformen von Überland-Elektroenergieübertragungskabeln mit Verbundmetallmatrixkernen sind.
10 eine Endansicht einer Ausführungsform eines verseilten Kabels ist, vor dem Anbringen eines Halterungsmittels um die mehreren Stränge.
11 eine Endansicht einer Ausführungsform eines Elektroübertragungskabels ist.
12 eine Rasterelektronenmikrographie einer Bruchfläche eines Aluminiummatrixverbunddrahtes von Beispiel 8 ist.
13 eine Rasterelektronenmikrographie einer Bruchfläche eines anderen Aluminiummatrixverbunddrahtes von Beispiel 8 ist.
14 ein Querschnitt einer Testprobe für den Dreipunkt-Biegefestigkeitstest ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Obwohl bekannt ist, dass das Vorhandensein von Defekten im Draht, wie intermetallische Phasen, trockene Faser, Porosität infolge zum Beispiel einer Schrumpfung oder eines inneren Gases (z. B. Wasserstoff oder Wasserdampf), Hohlräume, usw., Eigenschaften, wie die Festigkeit des Drahtes, verschlechtern, haben die Antragsteller, ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, entdeckt und nehmen an, dass die vorhandenen Defekte in bekannten Metallmatrixverbunddrähten über Draht- und Bandlängen in einem stärkeren Ausmaß, als in der Technik bekannt ist, vorhanden sind. Zum Beispiel bedeutet ein Test oder eine Analyse eines Meters Draht oder Band auf Eigenschaften und andere Charakteristika nicht unbedingt, dass eine 10 Meter, 50 Meter, 100 Meter usw. Länge des Drahtes oder Bandes beständig das gewünschte Ausmaß an Eigenschaften oder Charakteristika aufweist. Solche Defekte in dem Draht oder Band umfassen örtliche intermetallische Phasen, örtliche trockene (d. h., unbeschichtete) Faser (siehe z. B. 1), Porosität infolge einer Schrumpfung (siehe z. B. 2), oder innere Gashohlräume (siehe z. B. 3) und Mikroporosität (siehe z. B. 4). Es wird angenommen, dass solche Defekte Eigenschaften wie die Festigkeit des Metallmatrixverbundartikels dramatisch verringern können. Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass bei bevorzugten Artikeln, die durch das erfindungsgemäße Verfahren der Antragsteller hergestellt werden, eine oder mehrere solcher Defekte entlang ihrer Länge im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verringert (oder beseitigt) sind, wodurch ein Draht mit deutlich verbesserten Eigenschaften bereitgestellt wird, was sich zum Beispiel bei einigen Ausführungsformen darin zeigt, dass sie einen Wert für das Biegeversagen von null über Längen von mindestens 300 Metern haben.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung stellt faserverstärkte Metallmatrixverbundartikel, wie Drähte, Bänder oder Stäbe bereit. Solche Verbundstoffe enthalten eine Mehrzahl von im Wesentlichen kontinuierlichen, in Längsrichtung positionierten Verstärkungsfasern, wie keramische (z. B. Al₂O₃-basierte) Verstärkungsfasern, die in einer Matrix eingekapselt sind, die ein oder mehrere Metalle (z. B. hochreines elementares Aluminium oder Legierungen aus reinem Aluminium mit anderen Elementen, wie Kupfer) enthält. Vorzugsweise sind mindestens etwa 85% nach der Anzahl der Fasern in dem Metallmatrixverbundartikel im Wesentlichen kontinuierlich.
Die im Wesentlichen kontinuierlichen Verstärkungsfasern haben vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von mindestens etwa 5 Mikrometern. Vorzugsweise ist der durchschnittliche Faserdurchmesser nicht mehr als etwa 250 Mikrometer, insbesondere nicht mehr als etwa 100 Mikrometer. Für Fasern, die in Form von Wergen erhältlich sind, wie keramische Oxidfasern, einige Silikoncarbidfasern (die auch in Monofilamentformen erhältlich sind) und Kohlenstofffasern, ist der durchschnittliche Faserdurchmesser vorzugsweise nicht mehr als etwa 50 Mikrometer; insbesondere nicht mehr als etwa 25 Mikrometer.
Vorzugsweise haben die Fasern einen Modul von nicht mehr als etwa 1000 GPa, insbesondere nicht mehr als etwa 420 GPa. Vorzugsweise haben die Fasern einen Modul von mehr als etwa 70 GPa.
Beispiele für im Wesentlichen kontinuierliche Fasern, die zur Herstellung von Metallmatrixverbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen keramische Fasern, wie Metalloxid- (z. B. Aluminiumoxid-) Fasern, Silikoncarbidfasern, Borfasern und Kohlenstofffasern. Für gewöhnlich sind die keramischen Oxidfasern kristalline Keramiken und/oder eine Mischung aus kristalliner Keramik und Glas (d. h., eine Faser kann sowohl kristalline Keramik- wie auch Glasphasen enthalten).
Vorzugsweise haben die Keramikfasern eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens etwa 1,4 GPa und vorzugsweise mindestens etwa 1,7 GPa, insbesondere mindestens etwa 2,1 GPa und ganz besonders mindestens etwa 2,8 GPa. Vorzugsweise haben die Kohlenstofffasern eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens etwa 1,4 GPa und vorzugsweise mindestens etwa 2,1 GPa, insbesondere mindestens etwa 3,5 GPa und ganz besonders mindestens etwa 5,5 GPa.
Keramikfasern sind im Handel als einzelne Filamente oder gruppiert (z. B. als Garne oder Werge) erhältlich.
Garne oder Werge umfassen vorzugsweise mindestens 780 einzelne Fasern pro Werg und insbesondere mindestens 2600 einzelne Fasern pro Werg.
Werge sind in der Fasertechnik allgemein bekannt und beziehen sich auf eine Mehrzahl von (einzelnen) Fasern (für gewöhnlich mindestens 100 Fasern, insbesondere mindestens 400 Fasern), die in seilartiger Form zusammengefügt sind. Keramische Fasern, einschließlich Werge aus keramischen Fasern, sind in zahlreichen Längen erhältlich, einschließlich 300 Meter und länger. Die Fasern können einen Querschnittsform aufweisen, die kreisförmig oder elliptisch ist.
Verfahren zum Herstellen von Aluminiumoxidfasern sind in der Technik bekannt und umfassen die Verfahren, die in US-A-4,954,462 offenbart sind.
Vorzugsweise sind die Aluminiumoxidfasern polykristalline Fasern auf Aluminiumoxid-Basis und umfassen, auf einer theoretischen Oxidbasis, mehr als etwa 99 Gewichtsprozent Al₂O₃ und etwa 0,2 bis 0,5 Gewichtsprozent SiO₂, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aluminiumoxidfasern. In einem anderen Aspekt umfassen bevorzugte polykristalline Fasern auf Aluminiumoxid-Basis Alpha-Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Korngröße von weniger als 1 Mikrometer (vorzugsweise weniger als 0,5 Mikrometer). In einem anderen Aspekt haben bevorzugte polykristalline Fasern auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis eine durchschnittliche Zugfestigkeit von mindestens 1,6 GPa (vorzugsweise mindestens 2,1 GPa, insbesondere mindestens 2,8 GPa). Bevorzugte Alpha-Aluminiumoxidfasern sind im Handel unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 610" von der 3M Company, St. Paul, MN, erhältlich.
Geeignete Aluminosilicatfasern sind in US-A-4,047,965 beschrieben. Vorzugsweise umfassen die Aluminosilicatfasern, auf einer theoretischen Oxidbasis, Al₂O₃ im Be reich von etwa 67 bis etwa 85 Gewichtsprozent und SiO im Bereich von etwa 33 bis etwa 15 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aluminosilicatfasern. Einige bevorzugte Aluminosilicatfasern umfassen, auf einer theoretischen Oxidbasis, Al₂O₃ im Bereich von etwa 67 bis etwa 77 Gewichtsprozent und SiO₂ im Bereich von etwa 33 bis etwa 23 Gewichtsprozent, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aluminosilicatfasern. Eine bevorzugte Aluminosilicatfaser umfasst, auf einer theoretischen Oxidbasis, etwa 85 Gewichtsprozent Al₂O₃ und etwa 15 Gewichtsprozent SiO₂, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aluminosilicatfasern. Eine andere bevorzugte Aluminosilicatfaser umfasst, auf einer theoretischen Oxidbasis, etwa 73 Gewichtsprozent Al₂O₃ und etwa 27 Gewichtsprozent SiO₂, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aluminosilicatfasern. Bevorzugte Aluminosilicatfasern sind im Handel unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 440" keramische Oxidfasern, "NEXTEL 550" keramische Oxidfasern und "NEXTEL 720" keramische Oxidfasern von der 3M Company erhältlich.
Geeignete Aluminoborsilicatfasern sind in US-A-3,795,524 beschrieben. Vorzugsweise umfassen die Aluminoborsilicatfasern auf einer theoretischen Oxidbasis: etwa 35 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent (insbesondere etwa 55 Gewichtsprozent bis etwa 75 Gewichtsprozent) Al₂O₃; mehr als 0 Gewichtsprozent (insbesondere mindestens etwa 15 Gewichtsprozent) und weniger als etwa 50 Gewichtsprozent (insbesondere weniger als etwa 45 Gewichtsprozent und ganz besonders weniger als etwa 44 Prozent) SiO₂; und mehr als etwa 5 Gewichtsprozent (insbesondere weniger als etwa 25 Gewichtsprozent, ganz besonders etwa 1 Gewichtsprozent bis etwa 5 Gewichtsprozent, und insbesondere etwa 10 Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent) B₂O₃, basierend auf dem Gesamtgewicht der Aluminoborsilicatfasern. Bevorzugte Aluminoborsilicatfasern sind im Handel unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 312" von der 3M Company erhältlich.
Geeignete Silikoncarbidfasern sind im Handel zum Beispiel von COI Ceramics, San Diego, CA, unter der Handelsbezeichnung "NICALON" in Wergen von 500 Fasern, von Textron Systems, Wilmington, MA, unter den Handelsbezeichnungen "SCS-2, SCS-6, SCS-9A, SCS-ULTRA" von Ube Industries, Japan, unter der Handelsbezeichnung "TYRANNO" und von Dow Corning, Midland, MI, unter der Handelsbezeichnung "SYLRAMIC" erhältlich.
Geeignete Kohlenstofffasern sind im Handel zum Beispiel von Amoco Chemicals, Alpharetta, GA, unter der Handelsbezeichnung "THORNEL CARBON" in Wergen von 2000, 4000, 5000 und 12000 Fasern, Hexcel Corporation, Stamford, CT, von Grafil, Inc. Sacramento, CA (Tochtergesellschaft von Mitsubishi Rayon C.) unter der Handelsbezeichnung "PYROFIL", von Toray, Tokio, Japan, unter der Handelsbezeichnung "TORAYCA", von Toho Rayon, Japan, Ltd., unter der Handelsbezeichnung "BESFIGHT", von Zoltek Corporation, St. Louis, MO, unter den Handelsbezeichnungen "PANEX" und "PYRON", und von Inco Special Products, Wyckoff, NJ (nickelbeschichtete Kohlenstofffasern) unter den Handelsbezeichnungen "12K20" und "12K50" erhältlich.
Geeignete Borfasern sind im Handel zum Beispiel als Monofilamente von Textron Systems, Willington, MA, erhältlich.
Im Handel erhältliche Fasern enthalten für gewöhnlich eine organische Schlichte, die der Faser während ihrer Herstellung zugegeben wird, um ihr Schmierfähigkeit zu verleihen und die Faserstränge während der Handhabung zu schützen. Es wird angenommen, dass die Schlichte dazu neigt, den Faserbruch zu verringern, die statische Elektrizität verringert und die Staubmenge zum Beispiel während der Umformung zu einem Stoff verringert. Die Schlichte kann zum Beispiel durch Auflösen oder Wegbrennen entfernt werden. Vorzugsweise wird die Schlichte vor der Bildung des Metallmatrixverbund drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt. Auf diese Weise sind die keramischen Oxidfasern vor der Bildung des Aluminiummatrixverbunddrahtes frei von Schlichte.
Es liegt auch im Umfang der vorliegenden Erfindung, auf den Fasern Beschichtungen bereitzustellen. Beschichtungen können zum Beispiel zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Fasern, zur Verringerung oder Verhinderung einer Reaktion zwischen den Fasern und dem geschmolzenen Metallmatrixmaterial verwendet werden. Solche Beschichtungen und Techniken zum Bereitstellen solcher Beschichtungen sind in der Faser- und Metallmatrixverbundstofftechnik bekannt.
Metallmatrixverbundartikel, die durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, umfassen mindestens 15 Volumenprozent (insbesondere mit steigender Präferenz mindestens 20, 25, 30, 35, 40 oder 50 Volumenprozent) der Fasern, basierend auf dem Gesamtvolumen der Fasern und des Matrixmaterials. Für gewöhnlich umfassen Metallmatrixverbundartikel, die durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, Fasern im Bereich von etwa 30 bis etwa 70 (vorzugsweise etwa 40 bis etwa 60) Volumenprozent, basierend auf dem Gesamtvolumen der Fasern und des Matrixmaterials.
Bevorzugte Metallmatrixverbunddrähte, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, haben eine Länge, in der Reihenfolge der Präferenz, von mindestens etwa 300 Metern, mindestens etwa 400 Metern, mindestens etwa 500 Metern, mindestens etwa 600 Metern, mindestens etwa 700 Metern, mindestens etwa 800 Metern und mindestens etwa 900 Metern, über welche sie nach dem Wire Proof Test, der hier beschrieben ist, null Brüche aufweisen (d. h., einen Wert für das Biegeversagen von null haben).
Der durchschnittliche Durchmesser des Drahtes, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, ist vorzugsweise mindestens etwa 0,5 Millimeter (mm), insbesondere mindestens etwa 1 mm und ganz besonders mindestens etwa 1,5 mm.
Das Matrixmaterial kann derart gewählt sein, dass das Matrixmaterial chemisch nicht signifikant mit dem Fasermaterial reagiert (d. h., chemisch relativ inert in Bezug auf das Fasermaterial ist), damit zum Beispiel die Notwendigkeit, einen Schutzüberzug an dem Äußeren der Faser anzubringen, entfällt. Bevorzugte Metallmatrixmaterialien umfassen Aluminium, Zink, Zinn und Legierungen von diesen (z. B. eine Legierung aus Aluminium und Kupfer). Insbesondere umfasst das Matrixmaterial Aluminium und Legierungen von diesem. Für Aluminiummatrixmaterialien umfasst die Matrix vorzugsweise mindestens 98 Gewichtsprozent Aluminium, insbesondere mindestens 99 Gewichtsprozent Aluminium und ganz besonderes mehr als 99,9 Gewichtsprozent Aluminium, und insbesondere mehr als 99,95 Gewichtsprozent Aluminium. Bevorzugte Aluminiumlegierungen aus Aluminium und Kupfer umfassen mindestens etwa 98 Gewichtsprozent Al und bis zu etwa 2 Gewichtsprozent Cu. Obwohl Metalle höherer Reinheit eher zur Herstellung von Drähten hoher Zugfestigkeit bevorzugt sind, sind Metalle weniger reiner Formen auch nützlich.
Geeignete Metalle sind im Handel erhältlich. Zum Beispiel ist Aluminium unter der Handelsbezeichnung "SUPER PURE ALUMINUM, 99,99% Al" von Alcoa, Pittsburgh, PA, erhältlich. Aluminiumlegierungen (z. B., Al 2 Gewichtsprozent, Cu (0,03 Gewichtsprozent Unreinheiten)) können von Belmont Metals, New York, NY, erhalten werden. Zink und Zinn sind zum Beispiel von Metal Services, St. Paul, MN ("pure zinc", 99,999% Reinheit, und "pure tin", 99,95% Reinheit) erhältlich. Beispiele für Zinnlegierungen umfassen 92 Gewichtsprozent Sn – 8 Gewichtsprozent Al (die zum Beispiel durch Zugabe des Aluminiums zu einem Bad geschmolzenen Zinns bei 550°C, wobei die Mischung 12 Stunden vor Verwendung stehen gelassen wird, hergestellt werden können). Beispiele für Zinklegierungen umfassen 90,4 Gewichtsprozent Zn – 9,6 Gewichtsprozent Al (die zum Beispiel durch Zugabe des Aluminiums zu einem Bad geschmolzenen Zinks bei 550°C, wobei die Mischung 12 Stunden vor Verwendung stehen gelassen wird, hergestellt werden können).
Die besonderen Fasern, das Matrixmaterial und die Verfahrensschritte zur Herstellung von Metallmatrixverbundartikeln gemäß der vorliegenden Erfindung werden so gewählt, dass Metallmatrixverbundartikel mit den gewünschten Eigenschaften bereitgestellt werden. Zum Beispiel werden die Fasern und Metallmatrixmaterialien so gewählt, dass sie ausreichend miteinander und dem Metallmatrixverbundstoff-Herstellungsverfahren verträglich sind, um den gewünschten Artikel zu erzeugen. Weitere Einzelheiten in Bezug auf einige bevorzugte Techniken zur Herstellung von Matrixverbundstoffen aus Aluminium und Aluminiumlegierung sind zum Beispiel in US-A-6,245,425 und WO-A-97/00976 offenbart.
Eine schematische Darstellung eines bevorzugten Geräts für einen Metallmatrixverbundstoff durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt. Werge aus im Wesentlichen kontinuierlichen Keramik-, Bor- oder Kohlenstofffasern 51 werden von Vorratsspulen 50 zugeführt und zu einem kreisförmigen Bündel gerichtet und heißgereinigt, während sie durch einen Röhrenofen 52 laufen. Die Fasern werden dann in einer Vakuumkammer 53 evakuiert, bevor sie in einen Schmelztiegel 54 eintreten, der die Schmelze aus metallischem Matrixmaterial 61 enthält (hierin auch als "geschmolzenes Metall" bezeichnet). Die Fasern werden von einem Caterpuller 55 von den Vorratsspulen 50 abgezogen. Eine Ultraschallsonde 56 ist in der Schmelze in der Nähe der Faser angeordnet, um das Infiltrieren der Schmelze in die Werge 51 zu unterstützen. Das geschmolzene Metall des Metallmatrixverbundartikels (z. B., des Drahtes, des Bandes oder Stabes, wie dargestellt) kühlt beim Verlassen des Schmelztiegels 54 durch die Austrittsdüse 57 ab und verfestigt sich, obwohl eine gewisse Kühlung stattfinden kann, bevor es vollständig aus dem Schmelztiegel 54 tritt. Das Kühlen des Drahtes 59 wird durch Gas- oder Flüssigkeitsströme 58 verstärkt. Der Artikel 59 wird auf einer Spule 60 aufgenommen. Wahlweise wird der Artikel unter Anwendung des Wire Proof Tests, der in den folgenden Beispielen beschrieben ist, in-line getestet.
Die Heißreinigung der Faser trägt dazu bei, die Menge an Schlichte, adsorbierten Wassers und anderer unbeständiger oder flüchtiger Materialien zu entfernen oder zu verringern, die auf der Oberfläche der Fasern vorhanden sein können. Vorzugsweise werden die Fasern heißgereinigt, bis der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche der Faser unter einem Flächenanteil von 22% liegt. Für gewöhnlich ist die Temperatur des Röhrenofens mindestens etwa 300°C, insbesondere mindestens 1000°C für mindestens mehrere Sekunden bei der Temperatur, obwohl die besondere(n) Temperatur(en) und Zeit(en) zum Beispiel vom Reinigungsbedarf der besonderen verwendeten Faser abhängig sind.
Die Fasern werden dann evakuiert, bevor sie in die Schmelze eintreten, da beobachtet wurde, dass die Verwendung einer solchen Evakuierung dazu neigt, die Bildung von Defekten, wie örtlichen Bereichen mit trockenen Fasern, zu verringern oder zu beseitigen. Vorzugsweise werden die Fasern in ansteigender Reihenfolge der Präferenz in einem Vakuum von nicht mehr als 2,666 Pa (20 Torr), nicht mehr als 1,333 Pa (10 Torr) nicht mehr als 133,3 Pa (1 Torr) und nicht mehr als 93,31 Pa (0,7 Torr) evakuiert.
Ein Beispiel für ein geeignetes Vakuumsystem ist eine Eintrittsröhre, die so groß ist, dass sie dem Durchmes ser des Faserbündels angepasst ist. Die Eintrittsröhre kann zum Beispiel eine Röhre aus rostfreiem Stahl oder Aluminiumoxid sein und ist für gewöhnlich mindestens 30 cm lang. Eine geeignete Vakuumkammer hat für gewöhnlich einen Durchmesser im Bereich von etwa 2 cm bis etwa 20 cm, und eine Länge im Bereich von etwa 5 cm bis etwa 100 cm. Die Kapazität der Vakuumpumpe ist vorzugsweise mindestens 0,2 bis 0,4 Kubikmeter/Minute. Die evakuierten Fasern werden durch eine Röhre an dem Vakuumsystem in die Schmelze eingebracht, die das Aluminiumbad durchdringt (d. h., die evakuierten Fasern stehen unter Vakuum, wenn sie in die Schmelze eingebracht werden), obwohl die Schmelze im Wesentlichen bei atmosphärischem Druck ist. Der Innendurchmesser der Austrittsröhre stimmt im Wesentlichen mit dem Durchmesser des Faserbündels überein. Ein Teil der Austrittsröhre ist in das geschmolzene Aluminium eingetaucht. Vorzugsweise sind etwa 0,5 bis 5 cm der Röhre in das geschmolzene Metall eingetaucht. Die Röhre ist so gewählt, dass sie in dem geschmolzenen Metallmaterial stabil ist. Beispiele für Röhren, die für gewöhnlich geeignet sind, umfassen Silikonnitrid- und Aluminiumoxidröhren.
Das Infiltrieren des geschmolzenen Metalls in die Fasern wird durch die Verwendung von Ultraschall verstärkt. Zum Beispiel wird ein vibrierendes Horn in dem geschmolzenen Metall derart positioniert, dass es sich in enger Nähe zu den Fasern befindet. Vorzugsweise liegen die Fasern innerhalb von 2,5 mm der Hornspitze, insbesondere innerhalb von 1,5 mm der Hornspitze. Die Hornspitze ist vorzugsweise aus Niob oder Legierungen von Niob hergestellt, wie 95 Gewichtsprozent Nb – 5 Gewichtsprozent Mo und 91 Gewichtsprozent Nb – 9 Gewichtsprozent Mo, und kann zum Beispiel von PMTI, Pittsburgh, PA, erhalten werden. Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Verwendung von Ultraschall zur Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen finden sich zum Beispiel in US-A-4,649,060, US-A-4,779,563, US-A- 4,877,643, US-A-6,245,425 und WO-A-97/00976.
Das geschmolzene Material wird vorzugsweise während und/oder vor der Infiltration entgast (z. B. durch Senken der in dem geschmolzenen Metall gelösten Gasmenge (z. B. Wasserstoff)). Techniken zum Entgasen geschmolzenen Metalls sind in der Metallverarbeitungstechnik allgemein bekannt. Das Entgasen der Schmelze tendiert zur Verringerung der Gasporosität im Draht. Für geschmolzenes Aluminium ist die Wasserstoffkonzentration der Schmelze vorzugsweise, in der Reihenfolge der Präferenz, weniger als 0,2, 0,15 und 0,1 cm³/100 Gramm Aluminium.
Die Austrittsdüse ist so geformt, dass sie die gewünschte Form und Größe (z. B. Durchmesser oder Dicke und Breite) des Artikels bereitstellt. Für gewöhnlich ist es wünschenswert, über einen gleichförmigen Querschnitt über die Länge des Artikels zu verfügen. Die Größe der Austrittsdüse ist für gewöhnlich geringfügig kleiner als die Größe des Artikeldrahtes. Zum Beispiel ist der Durchmesser einer Silikonnitrid-Austrittsdüse für einen Aluminium-Verbunddraht, der etwa 50 Volumenprozent Aluminiumoxidfasern enthält, etwa 3 Prozent kleiner als der Durchmesser des Drahtes. Vorzugsweise ist die Austrittsdüse aus Silikonnitrid hergestellt, obwohl andere Materialien auch nützlich sein können. Andere Materialien, die in der Technik als Austrittsdüsen verwendet wurden, enthalten herkömmliches Aluminiumoxid. Die Antragsteller haben jedoch festgestellt, dass Silikonnitrid-Austrittsdüsen einen deutlich geringeren Verschleiß erfahren als herkömmliche Aluminiumoxiddüsen, und somit in der Bereitstellung der gewünschten Größe und Form des Artikels, insbesondere über Längen des Artikels, nützlich sind.
Für gewöhnlich wird der Metallmatrixverbundartikel nach dem Austritt aus der Austrittsdüse gekühlt, indem der Artikel mit einer Flüssigkeit (z. B. Wasser) oder einem Gas (z. B. Stickstoff, Argon oder Luft) in Kontakt gebracht wird. Eine solche Kühlung trägt dazu bei, die gewünschten Rundheits- und Gleichförmigkeitseigenschaften bereitzustellen.
In Bezug zum Beispiel auf Drähte ist der Durchmesser des erhaltenen Drahtes für gewöhnlich kein perfekter Kreis. Das Verhältnis von minimalem zu maximalem Durchmesser (d. h., für einen bestimmten Punkt auf der Länge des Drahtes, das Verhältnis des kleinsten Durchmessers zu dem größten Durchmesser, wobei dieses im Idealfall 1 wäre) ist für gewöhnlich mindestens 0,8, vorzugsweise in steigender Reihenfolge der Präferenz, mindestens 0,85, 0,88, 0,90, 0,91, 0,92, 0,93, 0,94 und 0,95. Die Querschnittsform des Drahtes kann zum Beispiel kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder dreieckig sein. Vorzugsweise ist die Querschnittsform des Drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung kreisförmig oder annähernd kreisförmig. Vorzugsweise ist der durchschnittliche Durchmesser des Drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, 3 mm oder 3,5 mm.
Obwohl die gewünschte Konstruktion und die Dimensionen eines Metallmatrixverbundbandes, das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, von der besonderen Verwendung abhängen kann, haben einige bevorzugte Bänder einen rechteckigen Querschnitt von etwa 5 bis 50 mm × 0,2 bis 1 mm.
Bestimmte Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Herstellung von Drähten mit relativ größerem Durchmesser (d. h., 2,5 mm oder größer). Solche Drähte mit größerem Durchmesser ermöglichen ihrerseits eine größere Vielzahl an Kabeldesigns und -konstruktionen. Zum Beispiel kann eine größere Vielfalt an Drähten unterschiedlichen Durchmessers Kabeln in einem weiteren Bereich von Durchmessern, wie auch in einem weiteren Bereich von Steifheit und Flexibilität bereitstellen.
Metallmatrixverbunddrähte gemäß der vorliegenden Erfindung können in zahlreichen Anwendungen verwendet werden. Sie sind besonders in Überland-Elektroenergieübertragungskabeln nützlich. Die Kabel können homogen sein (d. h., nur eine Art von Metallmatrixverbunddraht enthalten) oder nicht homogen sein (d. h., eine Mehrzahl sekundärer Drähte, wie Metalldrähte, enthalten). Als ein Beispiel für ein nicht homogenes Kabel kann der Kern eine Mehrzahl von Drähten enthalten, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, mit einer Hülle, die eine Mehrzahl von sekundären Drähten enthält (z. B. Aluminiumdrähte).
Die Kabel können verseilt sein. Ein verseiltes Kabel enthält für gewöhnlich einen mittleren Draht und eine erste Lage aus Drähten, die spiralförmig um den mittleren Draht gewunden sind. Das Kabelverseilen ist ein Prozess, in dem einzelne Drahtstränge zu einer spiralförmigen Anordnung kombiniert sind, um ein fertiges Kabel zu erzeugen (siehe z. B. US-A-5,171,942 und US-A-5,554,826). Das erhaltene spiralförmig verseilte Drahtseil bietet eine deutlich größere Flexibilität als mit einem massiven Stab bei gleicher Querschnittsfläche erzielbar wäre. Die spiralförmige Anordnung ist auch günstig, da das verseilte Kabel seine gesamte runde Querschnittsform beibehält, wenn das Kabel bei der Handhabung, der Installation und Verwendung gebogen wird. Spiralförmig gewickelte Kabel können nur einige, wie 7 einzelne Stränge, bis zu häufigeren Konstruktionen mit 50 oder mehr Strängen enthalten.
Ein beispielhaftes Elektroenergieübertragungskabel ist in 8 dargestellt, wobei das Elektroenergieübertragungskabel 130 ein Kern 132 aus neunzehn einzelnen Verbundmetallmatrixdrähten 134 sein kann, der von einem Mantel 136 aus dreißig einzelnen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsdrähten 138 umgeben ist. Ebenso, wie in
9 dargestellt, kann als eine von vielen Alternativen das Überland-Elektroenergieübertragungskabel 140 ein Kern 142 aus siebenunddreißig einzelnen Verbundmetallmatrixdrähten 144 sein, der von einem Mantel 146 aus einundzwanzig einzelnen Aluminium- oder Aluminiumlegierungsdrähten 148 umgeben ist.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform des verseilten Kabels 80. In dieser Ausführungsform enthält das verseilte Kabel einen mittleren Metallmatrixverbunddraht 81A und eine erste Lage 82A aus Metallmatrixverbunddrähten, die spiralförmig um den mittleren Metallmatrixverbunddraht 81A gewickelt sind. Diese Ausführungsform enthält des Weiteren eine zweite Lage 82B aus Metallmatrixverbunddrähten 81, die spiralförmig um die erste Lage 82A gewickelt sind. In jeder Lage kann jede geeignete Anzahl von Metallmatrixverbunddrähten 81 enthalten sein. Ferner können nach Wunsch mehr als zwei Lagen in dem verseilten Kabel 80 enthalten sein.
Die Kabel können als blankes Kabel verwendet werden oder können als Kern eines Kabels mit größerem Durchmesser verwendet werden. Ebenso können die Kabel ein verseiltes Kabel aus einer Mehrzahl von Drähten mit einem Halterungsmittel um die Mehrzahl von Drähten sein. Das Halterungsmittel kann eine Bandumhüllung sein, wie in 10 bei 83 dargestellt, mit oder ohne Haftmittel oder einem Bindemittel zum Beispiel.
Verseilte Kabel sind in zahlreichen Anwendungen nützlich. Es wird angenommen, dass solche verseilten Kabel besonders zur Verwendung in Überland-Elektroenergieübertragungskabeln aufgrund ihrer Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit, guter elektrischer Leitfähigkeit, geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, hohen Verwendungstemperaturen und Korrosionsbeständigkeit erwünscht sind.
Eine Endansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines solchen Übertragungskabels 90 ist in 11 dargestellt. Ein solches Übertragungskabel enthält einen Kern 91, der jeder von den hierin beschriebenen verseilten Kernen sein kann. Das Energieübertragungskabel 90 enthält auch mindestens eine Leiterschicht um den verseilten Kern 91. Wie dargestellt, enthält das Energieübertragungskabel zwei Leiterschichten 93A und 93B. Nach Wunsch können mehr Leiterschichten verwendet werden. Vorzugsweise umfasst jede Leiterschicht eine Mehrzahl von Leiterdrähten, wie in der Technik bekannt ist. Geeignete Materialien für Leiterdrähte umfassen Aluminium und Aluminiumlegierungen. Die Leiterdrähte können um den verseilten Kern 91 durch ein geeignetes Kabelverseilungsgerät gewickelt werden, wie in der Technik bekannt ist.
In anderen Anwendungen, in welchen das verseilte Kabel als Endartikel verwendet wird, oder in welchen es als Zwischenartikel oder -komponente in einem anderen folgenden Artikel verwendet wird, ist bevorzugt, dass das verseilte Kabel frei von Elektroenergieleiterschichten um die Mehrzahl von Metallmatrixverbunddrähten 81 ist.
Zusätzliche Einzelheiten in Bezug auf Kabel, die aus Metallmatrixverbunddrähten hergestellt sind, sind zum Beispiel in der Anmeldung US-A-6,559,385, US-A-6,245,425 und WO-A-97/00976 offenbart. Zusätzliche Einzelheiten hinsichtlich der Herstellung von Metallmatrixverbundmaterialien und Kabel, die diese enthalten, sind zum Beispiel in EP-A-1301643, EP-A-1301645 und AP-A-1301646 offenbart.
BEISPIELE
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher veranschaulicht, aber die besonderen Materialien und deren Mengen, die in diesen Beispiele genannt sind, wie auch andere Bedingungen und Einzelheiten, sollten nicht als ungebührliche Einschränkung dieser Erfindung verstanden werden. Verschiedene Modifizierungen und Änderungen der Erfindung werden für den Fachmann offensichtlich. Alle Teile und Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen, wenn nicht anders angegeben.
TESTVERFAHREN DREIPUNKT-BIEGEFESTIGKEITSTEST
Die Biegefestigkeit wurde unter Verwendung eines Dreipunkt-Biegeverfahrens getestet, das von ASTM Standard E855-90, Testmethode B, veröffentlicht in ASTM 1992 Annual Book of Standards, Abschnitt 3, Band 03.01, veröffentlicht von ASTM, Philadelphia, PA, abgeleitet wurde. Die Dreipunkt-Biegefestigkeit ist die nominale Belastung in der äußeren Oberfläche des Drahtes, die dazu führt, dass die Testprobe in zwei oder mehr einzelne Teile zerbricht. Der Test wurde bei Raumtemperatur (etwa 20°C) an willkürlich gewählten Proben unter Verwendung eines Universal-Testgestells ausgeführt, das mit einer Dreipunktfixierung und einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufzeichnung der Last ausgestattet war (beide von MTS, Eden Prairie, MN, erhältlich). Die Dreipunkt-Biegefestigkeit σ_b einer Probe, lang im Verhältnis zu ihrer Tiefe, die in der Dreipunktbiegung getestet wird, ist durch Gleichung 1 gegeben:
wobei F die maximale Last ist, die von der Lastzelle aufgezeichnet wird, l der Messbereich (d. h., der Abstand zwischen zwei Trägern) ist, y_m der senkrechte Abstand von der neutralen Achse zu der Oberfläche der Testprobe (siehe 14) ist und I das Flächenmoment 2. Grades ist. Unter Bezugnahme auf 14 misst das Flächenmoment 2. Grades den Widerstand des gleichförmi gen Querschnitts gegenüber einem Biegen um die horizontale Achse 242. Das Flächenmoment 2. Grades ist gegeben durch:
wobei b(y) die Breite des Querschnitts bei y ist. Die Gleichungen sind allgemein für die Ermittlung geeigneter Näherungen zur Berechnung des Flächenmoments 2. Grades, I, bekannt. Die Gleichungen sind so gewählt, dass sie zum Querschnitt der Probe passen. Zum Beispiel ist für kreisförmige oder annähernd kreisförmige Querschnitte das Flächenmoment 2. Grades gegeben durch:
wobei d der Durchmesser des Querschnitts ist. Für Drähte, die nicht perfekt kreisförmig sind, wird die Dreipunkt-Biegefestigkeit durch vertikales Orientieren der kurzen Achse des Drahtes in dem Testgerät gemessen. Der Durchmesser des Drahtes wurde unter Verwendung eines Mikrometers gemessen (mit einer Präzision von mindestens +/–2%). Die Drähte aus den Beispielen waren nicht perfekt kreisförmig (aber annähernd kreisförmig). Daher wurden sowohl der minimale als auch maximale Durchmesser (für denselben Punkt an dem Draht) gemessen. Das Verhältnis von minimalem zu maximalem Durchmesser der Drähte aus den Beispielen war immer größer als 0,9. Für jede Testprobe wurde der minimale Durchmesser alle 5 cm entlang einer 15 cm Länge für insgesamt drei Durchmesser-Messablesungen gemessen. Da die Querschnitte der Drähte aus den Beispielen nahezu kreisförmig waren, wurde Gleichung 3 (oben) für das Flächenmoment 2. Grades, I, verwendet. Der Durchmesser, d, der in der. Gleichung verwendet wurde, war der Durchschnitt der drei Ablesungen des minimalen Durchmessers.
Die Testprobe wurde als einfacher Balken mit symmetrischer Dreipunktbelastung geladen. Die Biegefestigkeit wurde durch monotones Laden erhalten, bis der Draht brach. Die Bruchlast P wurde aufgezeichnet und zur Berechnung der Dreipunkt-Biegefestigkeit nach Gleichung 1 (mit Gleichung 3) verwendet. Eine schematische Darstellung des Testgeräts ist in 6 gezeigt. Das Gerät bestand aus zwei einstellbaren Trägern 214, einem Mittel zum Aufbringen einer Last 212 und einem Mittel zum Messen der Last 216. Die Träger waren gehärtete Stahlstifte mit einem Radius von 3 mm an der tragenden Kante. Die Trennung zwischen den Trägern war entlang der Probenlängsachse einstellbar. Die zu testende Probe ist mit 211 dargestellt.
Die Testproben waren gerade, nicht gewellt oder verdreht. Der Messbereich war zwischen dem 15- bis 22-Fachen des minimalen Drahtdurchmessers (d). Die Gesamtprobenlänge war mindestens das 50-Fache des minimalen Drahtdurchmessers (d). Die Probe wurde symmetrisch auf die Träger gelegt und leicht mit der Hand geklopft, um die Reibung an den Trägern zu verringern.
Die Dreipunkt-Biegefestigkeit, die für den Wire Proof Test verwendet wird, wie in der Folge beschrieben, war der Durchschnitt der Dreipunkt-Biegefestigkeit von acht Proben.
WIRE PROOF TEST
Der Draht wurde kontinuierlich bei Raumtemperatur (etwa 20°C) auf Überlast in einem Biegemodus bei einem Sollwert der gemessenen Dreipunkt-Biegefestigkeit unter Verwendung eines Geräts getestet, das in 7 dargestellt ist. Der (zu testende) Draht 21 wurde von einer Spule 20 zugeführt, durch eine ersten und zweiten Satz von drei Rollen 22 und 24 geleitet und durch eine Rolle 23 mit 4 cm Durchmesser über den Messbereich L umgelenkt und auf einer Spule 29 aufgenommen. Die Spule 29 wurde angetrieben, um den Draht von der Spule 20 durch das Testgerät zu ziehen. Die Rollensätze 22 und 24 waren Stahllager mit 40 mm Durchmesser. Die äußeren Oberflächen der Rollen in den Rollensätzen 22 und 24 hatten jeweils eine kleine V-Rille in der Mitte, die um den Durchmesser der Rolle angeordnet war. Die V-Rille war etwa 1 mm tief und etwa 1 mm breit. Der getestete Draht wurde in der V-Rille ausgerichtet, so dass er sich während des Tests senkrecht zu der Achse der Rollen bewegte. Die zwei unteren Rollen in jedem der Rollensätze 22 und 24 waren von Mitte zu Mitte 100 mm beabstandet. Die obere Rolle in jedem der Rollensätze 22 und 24 war symmetrisch zwischen den zwei entsprechenden unteren Rollen beabstandet. Die vertikale Position der oberen Rolle von jedem der Rollensätze 22 und 24 war einstellbar. Die Trennung zwischen den äußeren Oberflächen der oberen und unteren Rollen von jedem der Rollensätze 22 und 24 war gleich dem (durchschnittlichen minimalen) Drahtdurchmesser, berechnet für den obigen Dreipunkt-Biegefestigkeitstest (d. h., d). Die Trennung war derart, dass der Draht 21 gestützt war, sich aber frei zwischen den oberen und unteren Rollen in den Rollensätzen 22 und 24 mit minimaler Spannung bewegen konnte (d. h., weniger als 1 Newton). Die mittlere Rolle 23 ist ein Stahllager mit einem Außendurchmesser von 40 mm, das symmetrisch zwischen den Rollensätzen 22 und 24 angeordnet ist. Die Spannung in dem Draht zwischen den Spulen 20 und 29 war nicht höher als 100 Newton für einen Draht mit einem (durchschnittlichen minimalen) Durchmesser, berechnet für den obigen Dreipunkt-Biegefestigkeitstest (d. h., d), größer oder gleich 1,5 mm. Die Spannung in dem Draht zwischen den Spulen 20 und 29 war nicht höher als 20 Newton für einen Draht mit einem (durchschnittlichen minimalen) Durchmesser, berechnet für den obigen Dreipunkt-Biegefestigkeitstest (d. h., d), kleiner 1,5 mm. Der Messbereich L für den Wire Proof Test war der Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den inneren Rollen in den Rollensätzen 22 und 24. Der Messbereich L war auf das 120- bis 260-Fache des (durchschnittlichen minimalen) Drahtdurchmessers, berechnet für den obigen Dreipunkt-Biegefestigkeitstest (d. h., d), eingestellt. Die Ablenkung δ der mittleren Rolle war der Abstand zwischen der Mittellinie eines geraden Drahtes, die durch die Rollensätze 22 und 24 und die untere Oberfläche der Rolle 23 geht. Der Proof Test wurde bei einer Bewegung des Drahtes mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 10 Meter/min durchgeführt. Die Ablenkung δ der mittleren Rolle wurde so eingestellt, dass eine Spannung gleich 75% der Dreipunkt-Biegefestigkeit des Drahtes, bestimmt durch den obigen Dreipunkt-Biegefestigkeitstest, ausgeübt wurde.
Die Ablenkung δ der mittleren Rolle 23, die den zu testenden Draht einer Belastung gleich 75% der Dreipunkt-Biegefestigkeit aussetzte (die wie zuvor im Dreipunkt-Biegefestigkeitstest beschrieben ermittelt wurde), ist durch Gleichung 4 gegeben:
wobei L der Messbereich ist, E der Youngsche Modul des Drahtes ist, y_m wie zuvor in Dreipunkt-Biegefestigkeitstest definiert ist, und σb die Dreipunkt-Biegefestigkeit (bestimmt wie oben im Dreipunkt-Biegefestigkeitstest) ist. Für zylindrische oder annähernd zylindrische Drähte wird die Achse des minimalen Durchmessers des Drahtes im Wire Proof Testgerät vertikal orientiert, wobei die Ablenkung gegeben ist durch:
Wobei d der (durchschnittliche minimale) Drahtdurchmesser (bestimmt wie oben im Dreipunkt-Biegefestigkeitstest) ist und E der Modul des Drahtes ist. Der Youngsche Modul E des Drahtes wurde geschätzt durch: E = fEf (6)wobei f der Faservolumenanteil (bestimmt wie in der Folge beschrieben) ist und E_f der Youngsche Modul der Faser ist. Die Ablenkung sollte den Draht zum Brechen bringen, wenn die örtliche Drahtfestigkeit geringer als 75% der Dreipunkt-Biegefestigkeit war.
Der Faservolumenanteil wurde durch eine metallographische Standardtechnik gemessen. Der Drahtquerschnitt wurde poliert und der Faservolumenanteil unter Verwendung der Dichteprofilfunktionen mit Hilfe eines Computerprogramms gemessen, dem sogenannten NIH IMAGE (Version 1.61), einem Public-Domain-Bildverarbeitungsprogramm, das vom Research Services Branch der National Institutes of Health entwickelt wurde (erhältlich von der Website http//rsb.info.nih.gov/nih-image). Diese Software misst die mittlere Grauskalastärke einer repräsentativen Drahtfläche.
Ein Stück Draht wurde in einem Befestigungsharz (erhältlich unter der Handelsbezeichnung "EPOXICURE" von Buehler Inc., Lake Bluff, IL) montiert. Der montierte Draht wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Schleif/Poliergeräts und herkömmlicher Diamantemulsionen poliert und, wobei im letzten Polierschritt eine 1 Mikrometer Diamantemulsion verwendet wurde (die unter der Handelsbezeichnung "DIAMOND SPRAY" von Struers, West Lake, OH, erhältlich ist), um einen polierten Querschnitt des Drahtes zu erhalten. Eine Rasterelektronenmikroskop- (SEM) Photographie wurde von dem polierten Drahtquerschnitt bei 150× aufgenommen. Mit Hilfe der SEM-Photomikrographien wurde der Schwellwert des Bildes so eingestellt, dass alle Fasern bei Null-Stärke waren, um ein binäres Bild zu erzeugen. Die SEM-Photomikrographie wurde mit der NIH-IMAGE-Software analysiert und der Fasernvolumenanteil durch Dividieren der mittleren Stärke des binären Bildes durch die maximale Stärke erhalten. Die Genauigkeit dieses Verfahrens zur Bestimmung des Faservolumenanteils wurde mit +/–2% angenommen.
BEISPIEL 1
Der Aluminiumverbunddraht von Beispiel 1 wurde wie folgt hergestellt. Unter Bezugnahme auf 5 wurden sechsundsechzig Werge aus 1500 Denier Aluminiumoxidfasern (erhältlich von der 3M Company unter der Handelsbezeichnung "NEXTEL 610"; Youngscher Modul war in der Produktbroschüre von 1996 mit 373 GPa angegeben) zu einem kreisförmigen Bündel angeordnet. Das kreisförmige Bündel wurde heißgereinigt, indem es bei einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min durch einen 1 Meter Röhrenofen (von ATS, Tulsa, OK) in Luft bei 1000°C geleitet wurde. Das kreisförmige Bündel wurde dann bei 133,3 Pa (1,0 Torr) evakuiert, indem das Bündel durch eine Aluminiumoxideintrittsröhre (2,7 mm Durchmesser, 30 cm Länge; angepasst im Durchmesser an den Durchmesser des Faserbündels) in eine Vakuumkammer (6 cm Durchmesser, 20 cm Länge) geleitet wurde. Die Vakuumkammer war mit einer mechanischen Vakuumpumpe ausgestattet, die eine Pumpkapazität von 0,4 m³/min hatte. Nach dem Austritt aus der Vakuumkammer traten die evakuierten Fasern in ein geschmolzenes Aluminiumbad durch eine Aluminiumoxidröhre (2,7 mm Innendurchmesser und 25 cm Länge) ein, die teilweise (5 cm) in das geschmolzene Aluminiumbad eingetaucht war. Das geschmolzene Aluminiumbad wurde durch Schmelzen von Aluminium (99,94% reines Al; von NSA ALUMINUM, HAWESVILLE, KY) bei 726°C hergestellt. Das geschmolzene Aluminium wurde bei etwa 726°C gehalten und wurde kontinuierlich durch Durchperlen von 800 cm³/min Argongas durch eine poröse Silikoncarbidröhre (von Stahl Specialty Co., Kingsville, MO), die in das Aluminiumbad eingetaucht war, entgast. Der Wasserstoffgehalt des geschmolzenen Aluminiums wurde durch Abschrecken einer Probe des geschmolzenen Aluminiums in einem Kupferschmelztiegel mit einem Hohlraum von 0,64 cm × 12,7 cm × 7,6 cm, und Analysieren des erhaltenen verfestigten Aluminiumblocks auf seinen Wasserstoffgehalt unter Verwendung einer standardisierten Massenspektrometer-Testanalyse (von LECO Corp., St. Joseph, MI) gemessen.
Die Infiltration des geschmolzenen Aluminiums in das Faserbündel wurde durch die Verwendung einer Ultraschallinfiltration erleichtert. Durch einen Wellenleiter, der an einen Ultraschallwandler (von Sonics & Materials, Danbury, CT) angeschlossen war, wurde eine Ultraschallvibration erzeugt. Der Wellenleiter bestand aus einem zylindrischen Stab aus 91 Gewichtsprozent Nb – 9 Gewichtsprozent Mo, mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 90 mm, der mit einer mittleren 10 mm Schraube befestigt war, die an einen Titanwellenleiter (90 Gewichtsprozent Ti – 6 Gewichtsprozent Al – 4 Gewichtsprozent V) mit einer Länge von 482 mm und einem Durchmesser von 25 mm geschraubt war. Der Nb – 9 Gewichtsprozent Mo Stab wurde von PMTI, Inc., Large, PA, geliefert. Der Niobstab wurde innerhalb von 2,5 mm der Mittellinie des Faserbündels angeordnet. Der Wellenleiter wurde bei 20 kHz betrieben, mit einer 20 Mikrometer Verschiebung an der Spitze. Das Faserbündel wurde von einem Caterpuller (von Tulsa Power Products, Tulsa, OK), der bei einer Geschwindigkeit von 1,5 Meter/Minute arbeitete, durch das geschmolzene Aluminiumbad gezogen.
Das aluminiuminfiltrierte Faserbündel trat durch eine Silikonnitrid-Austrittsdüse (Innendurchmesser 2,5 mm, Außendurchmesser 19 mm und Länge 12,7 mm; von Branson und Bratton Inc., Burr Ridge, IL) aus dem Schmelztiegel. Nach dem Verlassen des geschmolzenen Aluminiumbades wurde die Abkühlung des Drahtes durch die Verwendung von zwei Stickstoffgasströmen unterstützt. Insbesondere wurden zwei verstöpselte Röhren mit Innendurchmessern von 4,8 mm jeweils an den Seiten mit fünf Löchern perforiert. Die Löcher hatten einen Durchmesser von 1,27 mm und waren entlang einer 30 mm Länge mit Ab ständen von 6 mm angeordnet. Stickstoffgas strömte durch die Röhren bei einer Fließrate von 100 Litern pro Minute und trat durch die kleinen Seitenlöcher aus. Das erste Loch an jeder Röhre war etwa 50 mm von der Austrittsdüse angeordnet und etwa 6 mm vom Draht entfernt. Die Röhren wurden jeweils eine an jeder Seite des Drahtes positioniert. Dann wurde der Draht auf eine Spule gewickelt. Die Zusammensetzung der Aluminiummatrix von Beispiel 1, wie durch induktiv gekoppelte Plasma-Analyse bestimmt wurde, war 0,03 Gewichtsprozent Fe, 0,02 Gewichtsprozent Nb, 0,03 Gewichtsprozent Si, 0,01 Gewichtsprozent Zn, 0,003 Gewichtsprozent Cu und der Rest Al. Bei der Herstellung des Drahtes war der Wasserstoffgehalt des Aluminiumbades etwa 0,07 cm³/100 gm Aluminium.
Für Beispiel 1 wurden zehn Spulen Aluminiumverbunddraht mit einem Durchmesser von 2,5 mm hergestellt. Jede Spule enthielt mindestens 300 Meter Draht, einige der Spulen bis zu 600 Meter Draht.
Die Drahtbiegefestigkeit, gemessen nach dem "Biegefestigkeitstest" unter Verwendung eines 50,8 mm Messbereichs, wurde mit 1,79 GPa bestimmt. Der durchschnittliche Fasergehalt des Drahtes wurde mit 52 Volumenprozent bestimmt und der Modul wurde unter Verwendung von Gleichung 6 mit 194 GPa bestimmt. Der Draht wurde dann nach dem "Wire Proof Test" unter Verwendung eines 406 mm Messbereichs und einer Ablenkung von 38,1 mm überlastgetestet. Alle zehn Spulen bestanden den Wire Proof Test ohne Bruch.
BEISPIEL 2
Aluminiummatrixverbunddrähte von Beispiel 2 wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Drahtverarbeitungsgeschwindigkeit zwischen 1,5 Meter/min und 4 m/min variiert wurde. Die Länge des Drahtes, die bei einer bestimmten Geschwindigkeit hergestellt wurde, schwankte zwischen 20 Metern und 300 Metern, abhängig von der Bruchfrequenz, die im Wire Proof Test festgestellt wurde. Die Länge war mindestens 300 Meter, wenn der Draht nicht brach; andernfalls wurde genug Draht hergestellt, um mindestens drei Brüche zu sammeln. Bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten von 1,5 m/min und 2,3 m/min brach der Draht im Wire Proof Test nach einem Durchlauf von 300 Metern Draht nicht (d. h., es gab null Brüche). Bei einer Geschwindigkeit von etwa 3,55 m/min brach der Draht im Durchschnitt alle 6 Meter. Bei einer Geschwindigkeit von 4 m/min brach der Draht im Durchschnitt jeden Meter. Für Proben, die den Wire Proof Test nicht bestanden, wurde der Test durchgeführt, bis mindestens drei Brüche vorhanden waren. Bruchflächen wurden mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie untersucht. An den Bruchflächen wurden trockene Fasern (d. h., nicht infiltrierte Fasern) beobachtet.
BEISPIEL 3
Aluminiummatrixverbunddrähte von Beispiel 3 wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Durchmesser des Drahtes zwischen 1 mm und 2,5 mm variiert wurde und die Drahtgeschwindigkeit auch für jeden Drahtdurchmesser geändert wurde.
Ein Draht mit 1 mm Durchmesser wurde bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 6,1 m/min hergestellt. Dieser Draht bestand den Wire Proof Test mit null Brüchen entlang einer Länge von 300 Metern. Bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich etwa 10 m/min wurden trockene Fasern beobachtet. Ferner bestand ein solcher Draht den Wire Proof Test über einer Länge von 300 Metern nicht.
Ein Draht mit 2,5 mm Durchmesser wurde bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 4 Meter/min hergestellt.
Dieser Draht bestand den Wire Proof Test mit null Brüchen entlang einer Länge von 300 Metern. Bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich etwa 4 m/min wurden trockene Fasern beobachtet. Ferner bestand ein solcher Draht den Wire Proof Test über einer Länge von 300 Metern nicht.
BEISPIEL 4
Aluminiummatrixverbunddrähte von Beispiel 4 wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass das Vakuum zwischen etwa 133,3 Pa (1 Torr) und 101308 Pa (760 Torr) (atmosphärischer Druck) variiert wurde.
Ein Draht mit 2,5 mm Durchmesser wurde bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 2,3 m/min unter einem Vakuum von 133,3 Pa (1 Torr) hergestellt. Dieser Draht bestand den Wire Proof Test mit null Brüchen entlang einer Länge von 300 Metern. Bei Verarbeitungsgeschwindigkeiten von 2,3 m/min unter atmosphärischem Druck (d. h., 101308 Pa (760 Torr)) brach der Draht mit 2,5 mm Durchmesser beständig im Wire Proof Test. Es wurde beobachtet, dass die Faser nicht vollständig mit Aluminium infiltriert war. Wenn die Verarbeitungsgeschwindigkeit auf weniger als 0,1 m/min gesenkt wurde, wurden noch immer trockene Fasern beobachtet.
Ein Draht mit 1 mm Durchmesser wurde bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 6,1 Meter/min mit einem Vakuum von 133,3 Pa (1 Torr) hergestellt. Dieser Draht bestand den Wire Proof Test mit null Brüchen entlang einer Länge von 300 Metern. Ein Draht mit 1 mm Durchmesser wurde bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von 3 m/min ohne Vakuum (d. h., 101,308 Pa (760 Torr)) hergestellt. Der Draht bestand den Wire Proof Test mit null Brüchen entlang einer Länge von 300 Metern. Der Draht mit 1 mm Durchmesser brach jedoch beständig im Wire Proof Test, wenn er bei einer Verarbeitungs geschwindigkeit von 6,1 m/min ohne Vakuum (d. h., 760 Torr) hergestellt wurde.
BEISPIEL 5
Aluminiummatrixverbunddrähte von Beispiel 5 wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Faser bei einer Rate von 1,5 m/min durch einen Röhrenofen mit 3 cm Durchmesser und einer Länge von 0,3 Meter, der auf 1000°C eingestellt war, heißgereinigt wurde. Mehrere 300 Meter lange Drahtspulen bestanden den Wire Proof Test mit null Brüchen.
Die Oberflächenchemie der keramischen Faser ("NEXTEL 610") wurde vor und nach der Heißreinigung ausgewertet. Die Faser wurde durch Erwärmen bei 1000°C über 12 Sekunden gereinigt. Die Faser wurde unter Elektronenspektroskopie für Chemische Analyse (ESCA)(auch als Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) bekannt) analysiert. Das verwendete ESCA-Gerät wurde unter der Handelsbezeichnung "HP5950A" von Hewlett-Packard, Palo Alto, CA, erhalten. Das ESCA-Gerät umfasste ein hemisphärisches Elektronenenergie-Analysegerät und wurde in einem konstanten Energiemodus betrieben. Die Röntgenquelle war Aluminium K-Alpha. Der Sondenwinkel war ein 38 Grad Photoelektronen-Analysewinkel ("take-off angle"), gemessen in Bezug auf die Korrekturlinsenachse des Analysegeräts. Quantitative Daten wurden unter Verwendung von Software und Empfindlichkeitsfaktoren berechnet, die vom Gerätehersteller angegeben wurden. Das Kohlenstoffspektrum nach der Erwärmung zeigte einen Flächenanteil von Kohlenstoff von weniger als 22% auf der Faser.
Der Draht wurde im Wesentlichen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass eine örtliche Kohlenstoffverunreinigung absichtlich nach dem Röhrenofen durch Aufsprühen eines Reinigers, der unter dem Handelsnamen "CITRUS CLEANER" von der 3M Company erhält lich ist, über einen 2 cm Abschnitt der Faser herbeigeführt wurde. Der Draht brach in dem Wire Proof Test exakt an der Stelle, wo die Oberflächenverunreinigung eingeführt worden war.
Der Draht wurde auch unter Verwendung von Fasern hergestellt, die mit Fingerabdrücken verunreinigt waren. Das Kohlenstoffspektrum in solchen verunreinigten Proben wurde mit mehr als 34% pro Flächenanteil gemessen. Es wird angenommen, dass eine solche Kohlenstoffverunreinigung den Kontaktwinkel vergrößert und Infiltrationsverluste bewirkt.
BEISPIEL 7
Aluminiummatrixverbunddrähte von Beispiel 7 wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Schmelze mindestens 24 Stunden vor der Herstellung des Drahtes nicht mit Argon entgast wurde. Der Drahtdurchmesser betrug 2,5 mm und die Verarbeitungsgeschwindigkeit 2,3 m/min. Der Draht brach mindestens dreimal im Wire Proof Test über eine Länge von 300 Metern. Die Bruchfläche wurde analysiert und es wird angenommen, ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, dass die Ursache des Bruchs auf große Hohlräume zurückzuführen ist, die durch Wasserstoffgas entstanden. Die Hohlräume hatten einen Durchmesser von etwa 0,5 mm und eine Länge von 2 bis 3 mm oder mehr. Ohne die Entgasungsbehandlung der Schmelze, die in Beispiel 1 beschrieben ist, war die typische Wasserstoffkonzentration etwa 0,3 cm³/100 Gramm Aluminium.
Es wurde auch ein Draht im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Schmelze 2 Stunden vor Herstellung des Drahtes mit Argon entgast wurde. Der Drahtdurchmesser betrug 2,5 mm und die Verarbeitungsgeschwindigkeit 2,3 Meter/min. Der Draht bestand den Wire Proof Test ohne Bruch. Die typische Wasserstoffkonzentration bei der Entgasungs behandlung der Schmelze war etwa 0,07 bis 0,1 cm³/100 Gramm Aluminium.
BEISPIEL 8
Aluminiummatrixverbunddrähte von Beispiel 8 wurden im Wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass der Drahtdurchmesser 2,5 mm betrug und das Vakuum zwischen 1 Torr und atmosphärischem Druck variiert wurde. Der 2,5 mm Draht war vollständig infiltriert, wenn er unter einem Vakuum von 1 Torr hergestellt wurde (siehe SEM-Photographie in 12). Die Vakuumpumpe wurde abgeschaltet, während alle anderen Bedingungen gleich blieben. Der Druck in der Vakuumkammer erreichte atmosphärischen Druck. Die Infiltration ging dann teilweise bei 1 Atmosphäre verloren und eine große Anzahl nicht infiltrierter Fasern war sichtbar (siehe SEM-Photographie in 13).
Für den Fachmann sind verschiedene Modifizierungen und Änderungen dieser Erfindung offensichtlich, ohne vom Umfang dieser Erfindung abzuweichen, und es sollte verstädlich sein, dass diese Erfindung nicht ungebührlich auf die hier dargelegten, veranschaulichen Ausführungsformen eingeschränkt werden soll.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines kontinuierlichen, länglichen Metallverbundwerkstoffartikels, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen eines eingeschlossenen Volumens geschmolzenen metallischen Matrixmaterials bei atmosphärischem Druck; – Bereitstellen einer Vakuumkammer mit einer Ausgangsöffnung, die in das eingeschlossene Volumen geschmolzenen metallischen Matrixmaterials eingetaucht ist; – Evakuieren mehrerer Fasern, die wenigstens eines sind von im Wesentlichen kontinuierlichen, in Längsrichtung positionierten Fasern aus Keramik, Bor oder Kohlenstoff, durch Hindurchleiten derselben durch die Vakuumkammer; – Einleiten der mehreren evakuierten, im Wesentlichen kontinuierlichen Fasern in das eingeschlossene Volumen eines geschmolzenen metallischen Matrixmaterials durch die Ausgangsöffnung der Vakuumkammer; – Aufbringen von Ultraschallenergie zur Erzeugung einer Vibration in wenigstens einem Teil des eingeschlossenen Volumens geschmolzenen metallischen Matrixmaterials, so dass wenigstens ein Teil des geschmolzenen metallischen Matrixmaterials in die mehreren Fasern infiltrieren kann, so dass mehrere infiltrierte Fasern erzeugt werden; und – Zurückziehen der mehreren infiltrierten Fasern aus dem eingeschlossenen Volumen eines geschmolzenen metallischen Matrixmaterials unter Bedingungen zur Verfestigung des geschmolzenen metallischen Matrixmaterials, um einen kontinuierlichen, länglichen Metallverbundwerkstoffartikel zu schaffen, der mehrere Fasern aufweist, die wenigstens eines sind von im Wesentlichen kontinuierlichen, in Längsrichtung positionierten Fasern aus Keramik, Bor oder Kohlenstoff, in einer Metallmatrix, wobei der Artikel wenigstens 15 Volumenprozent der Fasern umfasst, basierend auf dem Gesamtvolumen der Fasern und des Matrixmaterials, und wobei der Artikel eine Länge von wenigstens 10 Metern hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallmatrix Aluminium, Zink, Zinn oder Legierungen von diesen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, des Weiteren umfassend das Heißreinigen der mehreren Fasern über 300°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallmatrix Aluminium oder Legierungen von diesen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest etwa 85% der Anzahl der Fasern im Wesentlichen kontinuierlich sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend wenigstens etwa 20 Volumenprozent der Fasern und nicht mehr als etwa 70 Volumenprozent Fasern, basierend auf dem Gesamtvolumen der Fasern und des Matrixmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fasern keramische Fasern sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fasern keramische Oxidfasern sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Fasern polykristalline Fasern auf Alpha-Alumi niumoxid-Basis sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das geschmolzene, metallische Matrixmaterial Aluminium ist und die Wasserstoffkonzentration des geschmolzenen metallischen Matrixmaterials kleiner als 0,2 cm³/100 Gramm Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Artikel ein Draht ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Draht einen Durchmesser von wenigstens 2,5 mm hat.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Draht einen Durchmesser von wenigstens 2,5 mm über eine Länge von wenigstens 100 Metern hat.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Draht einen Durchmesser von wenigstens 3 mm hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Draht eine Länge von wenigstens etwa 50 Metern hat.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Draht eine Länge von wenigstens etwa 100 Metern hat.