DE69611913T2

DE69611913T2 - Faserverstärkter verbundwerkstoff mit aluminium-matrix

Info

Publication number: DE69611913T2
Application number: DE69611913T
Authority: DE
Inventors: L. Anderson; E. Deve; Colin Mccullough; Andreas Mortensen; S. Werner
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2016-05-22
Also published as: KR19990028212A; US6180232B1; WO1997000976A1; KR100420198B1; NO976010L; MY120884A; CA2225072A1; US6447927B1; CA2225072C; EP0833952A1; CN1101483C; ATE199412T1; NO976010D0; US6544645B1; DE69611913D1; EP0833952B1; US6245425B1; JPH11508325A; JP4284444B2; US6336495B1

Description

Die US-Regierung hat eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung und unter begrenzten Umständen das Recht, den Patentinhaber aufzufordern, andere zu angemessenen Bedingungen zu lizensieren, wie durch die Bedingungen des Vertrags No. MDA 972-90-C-0018, zuerkannt durch die Defense Advanced Research Projects Agency (DARFA), vorgesehen ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundwerkstoffmaterialien aus keramischen Fasern innerhalb einer Aluminium-Matrix. Derartige Materialien sind für verschiedene Anwendungen, bei denen Materialien mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht erforderlich sind, gut geeignet.
Durch kontinuierliche Fasern verstärkte Verbundwerkstoffe mit Aluminium-Matrix (CF-AMCs) bieten im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen und Verbundwerkstoffen mit teilchenförmiger Metall-Matrix außergewöhnliche spezielle Eigenschaften. Die Längssteifigkeit derartiger Verbundwerkstoffmaterialien beträgt typischerweise das dreifache von der herkömmlicher Legierungen, und die spezifische Festigkeit derartiger Verbundwerkstoffe beträgt typischerweise das doppelte von der von hochfestem Stahl oder von Aluminiumlegierungen. Weiterhin sind für viele Anwendungen CF-AMCs im Vergleich zu Graphit-Polymerverbundwerkstoffen aufgrund ihrer moderateren Anisotropie der Eigenschaften, insbesondere ihrer hohen Festigkeit in anderen Richtungen als denjenigen der Faserachsen besonders attraktiv. Zusätzlich bieten CF-AMCs wesentliche Verbesserungen in den Bereichen der zulässigen Gebrauchstemperatur und leiden nicht an Umweltproblemen, denen typischerweise mit Verbundwerkstoffen mit polymerer Matrix begegnet wird. Zu derartigen Problemen gehören Delaminierung und Zersetzung in heißen und feuchten Umgebungen, insbesondere bei Einwirkung von ultravioletter (UV) Strahlung.
Trotz ihrer zahlreichen Vorteile leiden bekannte CF-AMCs an Nachteilen, die ihre Verwendung bei vielen technischen Anwendungen behindert haben. CF-AMCs zeigen im allgemeinen einen hohen Modul oder eine hohe Festigkeit, aber vereinigen selten beide Eigenschaften. Dieses Merkmal ist Tabelle V von R. B. Bhagat "Casting Fiber-Reinforced Metal Matrix Composites", in Metal Matrix Composites: Processing and Interfaces, Hrsg. R. K. Everett and R. J. Arsenault, Academic Press, 1991, S. 43-82, zu entnehmen. In dieser Druckschrift vereinigen die für gegossenes CF-AMC aufgeführten Eigenschaften in hochfestem kohlenstoffverstärkten Aluminium, einem Verbundwerkstoff, der an geringer Querfestigkeit, geringer Druckfestigkeit und schlechter Korrosionsbeständigkeit leidet, nur eine Festigkeit von mehr als 1 GPa mit einem Modul von mehr als 160 GPa. Gegenwärtig erfolgt die am meisten befriedigende Herangehensweise zum Herstellen von CF-AMCs, bei denen hohe Festigkeit in allen Richtungen mit einem hohen Modul in allen Richtungen vereinigt ist, mit Fasern, die durch chemische Abscheidung aus der Gasphase hergestellt wurden. Die so erhaltenen Fasern, typischerweise Bor, sind sehr kostspielig, zu groß, um zu Vorformen mit einem geringen Krümmungsradius gewickelt zu werden, und in geschmolzenem Aluminium chemisch reaktiv. Jeder dieser Faktoren verringert deutlich die Verarbeitbarkeit und kommerzielle Wünschbarkeit der Faser.
Weiterhin leiden Verbundwerkstoffe, wie beispielsweise Fasern aus Aluminiumoxid (Tonerde) in Matrizes aus Aluminiumlegierung, an zusätzlichen Nachteilen während ihrer Herstellung. Insbesondere wurde gefunden, daß es während der Herstellung derartiger Verbundwerkstoffmaterialien schwierig ist zu bewirken, daß das Matrixmaterial die Faserbündel vollständig tränkt. Außerdem leiden als Ergebnis chemischer Wechselwirkungen, die zwischen den Fasern und der umgebenden Matrix stattfinden können und mit der Zeit zu Faserzersetzung führen, viele auf dem Fachgebiet bekannte Verbundwerkstoffmetallmaterialien an unzureichender Langzeitstabilität. In noch anderen Fällen wurde gefunden, daß es schwierig ist zu bewirken, daß das Matrixmetall die Fasern vollständig benetzt. Obwohl Versuche unternommen wurden, diese Probleme zu überwinden (insbesondere Ausstattung der Fasern mit chemischen Beschichtungen, um die Benetzbarkeit zu vergrößern und die chemische Zersetzung zu begrenzen, und die Verwendung von Druckunterschieden, um die Tränkung mit der Matrix zu unterstützen), begegneten derartige Versuche nur begrenztem Erfolg. Zum Beispiel wurde gezeigt, daß die so erhaltenen Matrizes in einigen Fällen verminderte physikalische Eigenschaften haben. Weiterhin erfordern die Faserbeschichtungsverfahren typischerweise die Hinzufügung verschiedener komplizierter Verfahrensschritte während des Herstellungsverfahrens.
In Anbetracht des vorstehenden existiert ein Bedarf für Metallverbundwerkstoffmaterialien mit keramischen Fasern, die verbesserte Eigenschaften von Festigkeit und Gewicht bieten, frei von Langzeitzersetzung sind und die unter Verwendung eines Minimums von Verfahrensschritten hergestellt werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe mit Aluminium-Matrix mit kontinuierlichen Fasern nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit breiter industrieller Anwendbarkeit. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Verbundwerkstoffe mit Aluminium-Matrix mit kontinuierlichen Fasern, die kontinuierliche Fasern hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit aufweisen, die innerhalb eines Matrixmaterials enthalten sind, das frei von Verunreinigungsstoffen, die leicht spröde intermetallische Verbindungen oder Phasen verursachen, oder abgesonderten Bereichen von Verunreinigungsmaterial an der Matrix/Faser-Grenzfläche ist. Das Matrixmaterial wird ausgewählt, eine relativ geringe Streckfestigkeit zu haben, während die Fasern ausgewählt werden, eine relativ hohe Zugfestigkeit zu haben. Weiterhin werden die Materialien derart ausgewählt, daß die Fasern in der Matrix sowohl in deren geschmolzener als auch in deren fester Phase relativ chemisch inert sind.
Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Verbundwerkstoffmaterialien mit kontinuierlichen Fasern aus polykristallinem α-Al&sub2;O&sub3; (Zugfestigkeit von mindestens etwa 2,8 GPa), enthalten innerhalb einer Matrix von elementarem Aluminium (Streckfestigkeit weniger als etwa 20 MPa) oder einer Legierung von elementarem Aluminium, die bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer (bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix) enthält (Streckfestigkeit weniger als etwa 90 MPa, vorzugsweise weniger als etwa 80 MPa). Es wurde gezeigt, daß derartige Verbundwerkstoffstrukturen hohe Festigkeit und geringes Gewicht bieten, während zur gleichen Zeit das Potential für Langzeitzersetzung vermieden wird. Derartige Verbundwerkstoffe können auch ohne die Notwendigkeit für viele der Verfahrens schritte, die mit den Verbundwerkstoffmaterialien des Standes der Technik verbunden sind, hergestellt werden.
In einer Ausführungsform werden die Verbundwerkstoffe mit Aluminium-Matrix mit kontinuierlichen Fasern der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 9 oder 10 zu Drähten geformt, die wünschenswerte Festigkeit-zu-Gewicht-Eigenschaften und hohe elektrische Leitfähigkeit zeigen. Derartige Drähte sind zur Verwendung als Kernmaterialien in Hochspannungsübertragungs(HVPT)-Kabeln gut geeignet, da sie elektrische und physikalische Eigenschaften bereitstellen, die Verbesserungen gegenüber HVPT-Kabeln bieten, die im Stand der Technik bekannt sind.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Drähten aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix unter Verwendung von Ultraschallenergie.
Fig. 2a und 2b sind schematische Querschnitte von zwei Ausführungsformen von Überlandhochspannungsübertragungskabeln mit Kernen aus Verbundwerkstoff mit Metall- Matrix.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnisse für Materialien der vorliegenden Erfindung mit anderen Materialien vergleicht.
Fig. 4a und 4b sind graphische Darstellungen, die das projizierte Durchhängen als Funktion der Spannlänge für verschiedene Kabel vergleichen.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die den thermischen Expansionskoeffizienten als Funktion der Temperatur für einen CF-AMC-Draht zeigt.
Die faserverstärkten Verbundwerkstoffe mit Aluminium-Matrix der vorliegenden Erfindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassen kontinuierliche Fasern aus polykristallinem α-Al&sub2;O&sub3;, eingekapselt innerhalb einer Matrix von entweder im wesentlichen reinem elementaren Aluminium oder von einer Legierung von reinem Aluminium mit bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix. Die bevorzugten Fasern haben eine gleichachsige Korngröße von weniger als etwa 100 nm in der Größe und einen Faserdurchmesser im Bereich von etwa 1-50 Mikrometern. Ein Faserdurchmesser im Bereich von etwa 5-25 Mikrometern wird bevorzugt, wobei ein Bereich von etwa 5-15 Mikrometern am meisten bevorzugt wird. Bevorzugte Verbundwerkstoffmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung haben eine Faserdichte zwischen etwa 3,90-3,95 Gramm pro Kubikzentimeter. Unter den bevorzugten Fasern sind diejenigen, die in der US-Patentschrift 4,954,462 (Wood et al., abgetreten an Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, MN) beschrieben sind. Derartige Fasern sind im Handel unter der Bezeichnung keramische Aluminiumoxidfasern NEXTEL 610 von der Minnesota Mining and Manufactoring Company, St. Paul, MN, erhältlich. Die einkapselnde Matrix wird derart ausgewählt, daß sie nicht chemisch mit dem Fasermaterial reagiert, d. h. hinsichtlich der Faser über einen Temperaturbereich zwischen 20ºC-760ºC chemisch inert ist; wodurch die Notwendigkeit beseitigt wird, eine Schutzbeschichtung auf dem Äußeren der Faser bereitzustellen.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "polykristallin" ein Material, das vorwiegend eine Vielzahl von Kristallkörnern aufweist, bei denen die Korngröße geringer ist als der Durchmesser der Faser, in der die Körner vorliegen. Der Begriff kontinuierlich" soll eine Faser bezeichnen, die eine Länge hat, die im Vergleich zu dem Faserdurchmesser relativ unbegrenzt ist. Praktisch ausgedrückt haben derartige Fasern eine Länge in der Größenordnung von etwa 15 cm bis zu mindestens einigen Metern und können sogar Längen in der Größenordnung von Kilometern oder mehr haben.
In den bevorzugten Ausführungsformen wurde gezeigt, daß die Verwendung einer Matrix, umfassend entweder im wesentlichen reines elementares Aluminium oder eine Legierung von elementarem Aluminium mit bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, erfolgreiche Verbundwerkstoffe erzeugt. Wie hier verwendet, sind die Begriffe "im wesentlichen reines elementares Aluminium" "reines Aluminium" und »elementares Aluminium" austauschbar und sollen Aluminium bezeichnen, das weniger als etwa 0,05 Gew.-% Verunreinigungen enthält. Derartige Verunreinigungen umfassen typischerweise Übergangsmetalle der ersten Reihe (Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Cobalt, Nickel und Zink) ebenso wie Metalle der zweiten und dritten Reihe und Elemente in der Lanthanidenreihe. In einer bevorzugten Ausführungsform sollen die Begriffe Aluminium mit weniger als etwa 0,03 Gew.-% Eisen bezeichnen, wobei weniger als etwa 0,01 Gew.-% Eisen am meisten bevorzugt werden. Die Minimierung des Eisengehaltes ist wünschenswert, weil Eisen ein gewöhnlicher Verunreinigungsstoff von Aluminium ist, und weiterhin, weil Eisen und Aluminium sich vereinigen, wobei spröde intermetallische Verbindungen (z. B. Al&sub3;Fe, Al&sub2;Fe usw.) erzeugt werden. Es ist ebenfalls besonders wünschenswert, Verunreinigung durch Silicium (wie beispielsweise aus SiO&sub2;, das in Anwesenheit von geschmolzenem Aluminium zu freiem Silicium reduziert werden kann) zu vermeiden, weil Silicium, ähnlich Eisen, eine spröde Phase bildet und weil Silicium mit dem Aluminium (und jedem Eisen, welches vorhanden sein kann) reagieren kann, wobei spröde intermetallische Al- Fe-Si-Verbindungen erzeugt werden. Die Anwesenheit spröder Phasen in dem Verbundwerkstoff ist nicht wünschenswert, da derartige Phasen dazu neigen, Bruch in dem Verbundwerkstoff zu begünstigen, wenn er Spannung unterworfen wird. Insbesondere können derartige spröde Phasen verursachen, daß die Matrix bricht, sogar bevor die verstärkenden keramischen Fasern brechen, was zum Versagen des Verbundwerkstoffes führt. Im allgemeinen ist es wünschenswert, wesentliche Mengen von einem Übergangsmetall (d. h. der Gruppen IB bis VIIIB des Periodensystems) zu vermeiden, die spröde intermetallische Verbindungen erzeugen. Eisen und Silicium sind hier als Folge ihrer Häufigkeit als Verunreinigungen in metallurgischen Verfahren besonders spezifiziert.
Jedes der vorstehend beschriebenen Übergangsmetalle der ersten Reihe ist in geschmolzenem Aluminium relativ löslich und kann, wie bemerkt, mit dem Aluminium reagieren, wobei spröde intermetallische Verbindungen erzeugt werden. Im Gegensatz dazu erzeugen Metallverunreinigungen wie Zinn, Blei, Wismut, Antimon und dergleichen keine Verbindungen mit Aluminium und sind in geschmolzenem Aluminium praktisch unlöslich. Als Folge neigen derartige Verunreinigungen dazu, sich an der Faser/Matrix-Grenzfläche abzusondern, wodurch die Festigkeit des Verbundwerkstoffes an der Grenzfläche geschwächt wird. Obwohl eine derartige Absonderung die Längsfestigkeit des Endverbundwerkstoffes unterstützen kann, indem zu einem Bereich der umfassenden Belastungsverteilung (nachstehend diskutiert) beigetragen wird, führt die Anwesenheit der Verunreinigungen letztlich aufgrund der Dekohäsion an der Faser/Matrix-Grenzfläche zu einer wesentlichen Verringerung der Querfestigkeit des Verbundwerkstoffes. Elemente aus den Gruppen IA und IIA des Periodensystems neigen dazu, mit der Faser zu reagieren und die Festigkeit der Faser in dem Verbundwerkstoff drastisch zu verringern. Magnesium und Lithium sind in dieser Beziehung besonders unerwünschte Elemente, aufgrund, teilweise, der Länge der Zeit, die die Fasern und das Metall während der Verarbeitung oder beim Gebrauch bei hohen Temperaturen gehalten werden müssen.
Es ist selbstverständlich, daß Bezugnahmen auf "im wesentlichen reines elementares Aluminium" "reines Aluminium" und "elementares Aluminium", wie sie hier verwendet werden, auf das Matrixmaterial anstatt auf die verstärkenden Fasern angewendet werden sollen, da die Fasern innerhalb ihrer Kornstruktur wahrscheinlich Bereiche von Eisen- (und möglicherweise anderen) Verbindungen einschließen. Derartige Bereiche sind typischerweise Überreste des Faserherstellungsverfahrens und haben meistens eine vernachlässigbare Wirkung auf die Gesamteigenschaften des so erhaltenen Verbundwerkstoffmaterials, da sie dazu neigen, relativ klein zu sein und vollständig innerhalb der Körner der Faser eingekapselt zu sein. Als solche treten sie nicht mit der Verbundwerkstoffmatrix in Wechselwirkung und vermeiden dadurch die mit der Verunreinigung der Matrix verbundenen Nachteile.
Die Metall-Matrix, die in dem Verbundwerkstoff der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wird ausgewählt, um eine geringe Streckfestigkeit relativ zu den verstärkenden Fasern zu haben. In diesem Zusammenhang ist Streckfestigkeit definiert als die Spannung bei 0,2% Dehnbelastung in einem standardisierten Zugversuch (beschrieben in dem ASTM-Zugstandard E345-93) des unverstärkten Metalls oder der Legierung. Generell können allgemein, bezogen auf die Streckfestigkeit der Matrix, zwei Klassen von Verbundwerkstoffen mit Aluminium- Matrix unterschieden werden. Verbundwerkstoffe, bei denen die Matrix eine relativ geringe Streckfestigkeit hat, haben eine hohe Längszugfestigkeit, bestimmt in erster Linie durch die Festigkeit der verstärkenden Fasern. Wie hier verwendet, sind Aluminium-Matrizes mit geringer Streckfestigkeit in Verbundwerkstoffen mit Aluminium-Matrix definiert als Matrizes mit einer Streckfestigkeit von weniger als etwa 150 MPa. Die Streckfestigkeit der Matrix wird vorzugsweise an einer Probe von Matrixmaterial mit der gleichen Zusammensetzung, und das in der gleichen Weise wie das zur Erzeugung der Matrix des Verbundwerkstoffes verwendete Material hergestellt wurde, gemessen. So würde zum Beispiel die Streckfestigkeit eines Matrixmaterials aus im wesentlichen reinem elementaren Aluminium, verwendet in einem Verbundwerkstoffmaterial, durch Testen der Streckfestigkeit von im wesentlichen reinem elementaren Aluminium ohne eine Faserverstärkung bestimmt werden. Das Testverfahren folgt vorzugsweise dem ASTM-Zugversuchsstandard E345-93 (Standard Test Methods of Tension Testing of Metallic Foil). In Verbundwerkstoffen mit Matrizes geringer Streckfestigkeit verringert die Scherung der Matrix in der Nachbarschaft der Matrix-Faser- Grenzfläche die Spannungskonzentrationen in der Nähe gebrochener Fasern und erlaubt umfassende Spannungsverteilung. In diesem System erreicht der Verbundwerkstoff eine Festigkeit nach der "Mischungsregel". Reines Aluminium hat eine Streckfestigkeit von weniger als etwa 13,8 MPa (2 ksi), und Al-2 Gew.-% Cu hat eine Streckfestigkeit von weniger als etwa 96,5 MPa (14 ksi).
Die vorstehend beschriebenen Verbundwerkstoffe mit einer Matrix geringer Streckfestigkeit können in Kontrast mit Matrizes hoher Streckfestigkeit gesetzt werden, die typischerweise geringere Längsfestigkeit des Verbundwerkstoffes zeigen als die vorhergesagte Festigkeit nach der "Mischungsregel". In Verbundwerkstoffen mit Matrizes hoher Festigkeit ist die charakteristische Art des Versagens eine katastrophenartige Rißausbreitung. In Verbundwerkstoffmaterialien widerstehen Matrizes hoher Streckfestigkeit typischerweise der Scherung von gebrochenen Fasern, wodurch in der Nähe jedes Faserbruchs eine hohe Spannungskonzentration erzeugt wird. Die hohe Spannungskonzentration erlaubt Rissen sich auszubreiten, was zum Versagen der nächsten Faser und katastrophenartigem Versagen des Verbundwerkstoffes führt, weit bevor die Festigkeit nach der "Mischungsregel" erreicht ist. Es wird angegeben, daß die Arten des Versagens in diesem System aus der "Verteilung der örtlichen Belastung" entstehen. Für einen Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix mit etwa 50 Volumenprozent Faser erzeugt eine Matrix geringer Streckfestigkeit einen haltbaren (d. h. > 1,17 GPa (170 ksi)) Verbundwerkstoff, wenn sie mit Aluminiumoxidfasern mit Festigkeiten von mehr als 2,8 GPa (400 ksi) kombiniert wird. So nimmt man an, daß für die gleiche Belastung der Faser die Festigkeit des Verbundwerkstoffes mit der Festigkeit der Faser zunimmt.
Die Festigkeit des Verbundwerkstoffes kann weiter verbessert werden, indem die Kabel aus polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern mit kleinen Teilchen oder Whiskern oder kurzen (geschnittenen) Fasern aus Aluminiumoxid getränkt werden. Derartige Teilchen, Whisker oder Fasern, typischerweise in der Größenordnung von weniger als 20 Mikrometern und oft Submikrons, werden physikalisch an der Faseroberfläche festgehalten und stellen einen Abstand zwischen den einzelnen Fasern innerhalb des Verbundwerkstoffes bereit. Der Abstand beseitigt den Kontakt zwischen den Fasern und liefert dadurch einen haltbareren Verbundwerkstoff. Eine Diskussion der Verwendung kleiner Bereiche von Material zur Minimierung des Kontakts zwischen den Fasern läßt sich in der US-Patentschrift 4,961,990 (Yamada et al., abgetreten an Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho und Übe Industries, Ltd., beide aus Japan) finden.
Wie vorstehend festgestellt, betrifft einer der bedeutenden Umstände bei der Erzeugung von Verbundwerkstoffmaterialien die Schwierigkeit, verstärkende Fasern ausreichend mit dem umgebenden Matrixmaterial zu benetzen. Ähnlich ist die Tränkung der Faserkabel mit dem Matrixmaterial ebenfalls ein bedeutendes Problem bei der Herstellung von Drähten aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix, da das Verfahren zur kontinuierlichen Drahterzeugung typischerweise bei oder nahe bei atmosphärischem Druck stattfindet. Dieses Problem existiert auch für Verbundwerkstoffmaterialien, die in Chargenverfahren bei oder nahe bei atmosphärischem Druck erzeugt werden.
Das Problem der unvollständigen Tränkung des Faserkabels mit der Matrix kann durch die Verwendung einer Quelle für Ultraschallenergie als Hilfsmittel für die Tränkung mit der Matrix überwunden werden. Zum Beispiel beschreibt die US-Patentschrift 4,779,563 (Ishikawa et al., abgetreten an die Agency of Industrial Science and Technology, Tokyo, Japan) die Verwendung einer Vibrationsvorrichtung mit Ultraschallwellen zur Verwendung bei der Herstellung von vorgeformten Drähten, Bahnen oder Bändern aus mit Siliciumcarbidfaser verstärkten Metallverbundwerkstoffen. Die Energie der Ultraschallwellen wird mittels eines Vibrators mit einem Energieumwandler und einem Ultraschall"emitter", eingetaucht in das geschmolzene Matrixmaterial in der Nachbarschaft der Fasern, an die Fasern geliefert. Der Emitter ist vorzugsweise aus einem Material mit wenig, wenn überhaupt, Löslichkeit in der geschmolzenen Matrix hergestellt, um dadurch die Einführung von Verunreinigungsstoffen in die Matrix zu verhindern. Im vorliegendem Fall wurde gefunden, daß Emitter aus technisch reinem Niob oder Legierungen von 95% Niob und 5% Molybdän befriedigende Ergebnisse ergeben. Der damit verwendete Energieumwandler besteht typischerweise aus Titan.
Eine Ausführungsform eines Systems zur Herstellung einer Metall-Matrix, das einen Ultraschallemitter verwendet, ist in Fig. 1 dargestellt. In dieser Figur wird ein Kabel aus polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern 10 von einer Zuführungsrolle 12 abgewickelt und durch die Walzen 14 durch ein Gefäß 16 gezogen, das das Matrixmetall 18 in geschmolzener Form enthält. Während das Kabel 10 in das geschmolzene Matrixmetall 18 eingetaucht ist, wird es Ultraschallenergie ausgesetzt, die durch eine Ultraschallenergiequelle 20 bereitgestellt wird, welche in der Nachbarschaft eines Abschnitts des Kabels 10 in das geschmolzene Matrixmetall 18 eingetaucht ist. Die Ultraschallenergiequelle 20 umfaßt einen Oszillator 22 und einen Vibrator 24 mit einem Energieumwandler 26 und einem Emitter 27. Der Emitter 27 läßt das geschmolzene Matrixmetall 18 mit einer Frequenz vibrieren, die durch den Oszillator 22 erzeugt und an den Vibrator 24 und den Energieumwandler 26 übermittelt wird. Dabei wird verursacht, daß das Matrixmaterial das Faserkabel gründlich tränkt. Das getränkte Kabel wird aus der geschmolzenen Matrix gezogen und auf einer Aufnehmerolle 28 aufbewahrt.
Das Verfahren der Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit Metall-Matrix beinhaltet oft die Formung von Fasern zu einer "Vorform". Typischerweise werden die Fasern zu Anordnungen aufgewickelt und gestapelt. Aluminiumoxidfasern mit kleinem Durchmesser werden so gewickelt, daß die Fasern in einem Kabel parallel zueinander stehen. Das Stapeln wird in einer Weise ausgeführt, um eine gewünschte Faserdichte in dem endgültigen Verbundwerkstoff zu erhalten. Die Fasern können zu einfachen Vorformen hergestellt werden, indem rund um eine rechtwinklige Trommel, ein Rad oder einen Reifen gewickelt wird. In einer anderen Ausführungsform können sie auf einen Zylinder gewickelt werden. Die mehrfachen Schichten von Fasern, in dieser Weise aufgewickelt oder gewickelt, werden abgeschnitten und gestapelt oder zusammengebündelt, wobei eine gewünschte Form erzeugt wird. Die Handhabung der Faseranordnungen wird durch die Verwendung von Wasser, entweder rein oder gemischt mit einem organischen Bindemittel, unterstützt, um die Fasern in einer Matte zusammenzuhalten.
Ein Verfahren der Herstellung eines Verbundwerkstoffteils besteht darin, die Fasern in einer Form zu positionieren, die Form mit geschmolzenem Metall zu füllen und dann die gefüllte Form erhöhtem Druck zu unterwerfen. Ein derartiges Verfahren ist in der US-Patentschrift 3,547,180 mit dem Titel "Production of Reinforced Composites" offenbart. Die Form sollte nicht eine Quelle der Verunreinigung für das Matrixmetall sein. In einer Ausführungsform können die Formen aus Graphit, Aluminiumoxid oder mit Aluminiumoxid beschichtetem Stahl erzeugt sein. Die Fasern können in der Form in einer gewünschten Anordnung gestapelt werden; z. B. parallel zu den Wänden der Form oder in Schichten, die senkrecht aufeinander angeordnet werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Gestalt des Verbundwerkstoffmaterials kann eine beliebige Gestalt sein, zu der eine Form hergestellt werden kann. Als solche können Faserstrukturen unter Verwendung zahlreicher Vorformen hergestellt werden einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, rechteckiger Trommeln, Rad- oder Reifenformen, zylindrischer Formen oder verschieden geformter Gestalten, die aus dem Stapeln oder einem anderen Einfüllen der Fasern in eine Formhöhlung entstehen. Jede der vorstehend beschriebenen Vorformen steht in Verbindung mit einem Chargenverfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffbauteils. Kontinuierliche Verfahren zur Erzeugung von im wesentlichen kontinuierlichen Drähten, Bändern, Kabeln und dergleichen können ebenso verwendet werden. Typischerweise ist nur eine geringere Bearbeitung der Oberfläche eines fertiggestellten Teils notwendig. Es ist möglich, durch Verwendung von Diamantwerkzeug auch eine beliebige Form aus einem Block des Verbundwerkstoffmaterials zu bearbeiten. So wird es möglich, viele komplexe Formen zu erzeugen.
Eine Drahtform kann durch Tränken von Bündeln oder Kabeln aus Aluminiumoxidfaser mit geschmolzenem Aluminium erzeugt werden. Dieses kann ausgeführt werden, indem Kabel aus Fasern in ein Bad aus geschmolzenem Aluminium eingeführt werden. Um eine Benetzung der Fasern zu erhalten, wird ein Ultraschallemitter verwendet, um das Bad zu rühren, während die Fasern hindurchgeführt werden.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe mit Metall-Matrix sind wichtig für Anwendungen, bei denen leichtgewichtige, haltbare, hochtemperaturbeständige (mindestens etwa 300ºC) Materialien benötigt werden. Zum Beispiel können die Verbundwerkstoffe für Gasturbinenverdichterschaufeln in Düsentriebwerken, Bauröhren, Antriebsstangen, I-Träger, Automobilverbindungsstangen, Projektilsteuerflossen, Schwungradrotoren, Sportausrüstung (z. B. Golfklubs) und Trägerkerne für Stromübertragungskabel verwendet werden.
Verbundwerkstoffe mit Metall-Matrix sind unverstärkten Metallen in den Eigenschaften Steifigkeit, Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Verschleiß überlegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Verbundwerkstoffmaterial zwischen etwa 30-70 Vol-% polykristalline α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern, bezogen auf das Gesamtvolumen des Verbundwerkstoffmaterials, in einer Matrix aus im wesentlichen elementarem Aluminium. Es wird bevorzugt, daß die Matrix weniger als etwa 0,03 Gew.-% Eisen und am meisten bevorzugt weniger als etwa 0,01 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, enthält. Ein Fasergehalt von zwischen etwa 40-60 Vol.-% polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern wird bevorzugt. Es wurde gefunden, daß derartige Verbundwerkstoffe, erzeugt mit einer Matrix mit einer Streckfestigkeit von weniger als etwa 20 MPa und Fasern mit einer Längszugfestigkeit von mindestens etwa 2,8 GPa, ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften haben.
Wie vorstehend bemerkt, kann die Matrix auch aus einer Legierung von elementarem Aluminium mit bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix, erzeugt werden. Wie in der Ausführungsform, in der eine Matrix aus im wesentlichen reinem elementaren Aluminium verwendet wird, umfassen Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus Aluminium/Kupfer-Legierung vorzugsweise zwischen 30-70 Vol-% polykristalline α-Al&sub2;O&sub3;- Fasern und stärker bevorzugt 40-60 Vol.-% polykristalline α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern, bezogen auf das Gesamtvolumen des Verbundwerkstoffes. Zusätzlich enthält die Matrix vorzugsweise weniger als etwa 0,03 Gew.-% Eisen und am meisten bevorzugt weniger als etwa 0,01 Gew.-% Eisen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Matrix. Die Aluminium/Kupfer-Matrix hat vorzugsweise eine Streckfestigkeit von weniger als etwa 90 MPa, vorzugsweise weniger als etwa 80 MPa, und wie vorstehend haben die polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern eine Längszugfestigkeit von mindestens etwa 2,8 GPa. Die Eigenschaften von zwei Verbundwerkstoffen, ein erster mit einer Matrix aus elementarem Aluminium und ein zweiter mit einer Matrix aus der spezifizierten Aluminium/Kupfer-Legierung, die jeweils zwischen etwa 55-65 Vol.-% polykristalline α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern aufweisen, sind nachstehend in Tabelle I dargestellt: Tabelle I: ZUSAMMENFASSUNG DER EIGENSCHAFTEN DES VERBUNDWERKSTOFFES
(1) Die in dieser Tabelle aufgeführten Eigenschaften stellen einen Bereich der mechanischen Leistung dar, gemessen an Verbundwerkstoffen, die 55-65 Vol.-% keramische Aluminiumoxidfasern NEXTEL 610 enthalten. Der Bereich ist nicht repräsentativ für die statistische Streuung.
(2) Indexbezeichnung
1 = Faserrichtung; 2 = Querrichtung; ij : i Richtung senkrecht zu der Ebene, in der die Spannung wirkt; j = Spannungsrichtung, S = Bruchbelastung, wenn nicht festgelegt.
Obwohl für eine breite Vielfalt von Verwendungen geeignet, haben in einer Ausführungsform die Verbundwerkstoffe der vorliegenden Erfindung Anwendbarkeit bei der Erzeugung von Draht mit Verbundwerkstoffmatrix. Derartige Drähte werden aus im wesentlichen kontinuierlichen polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern erzeugt, die innerhalb der Matrix aus im wesentlichen reinem elementaren Aluminium oder der Matrix, erzeugt aus der vorstehend beschriebenen Legierung von elementarem Aluminium und bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, enthalten sind. Derartige Drähte werden durch ein Verfahren hergestellt, bei welchem eine Spule mit im wesentlichen kontinuierlichen polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern, angeordnet in einem Faserkabel, durch ein Bad aus geschmolzenem Matrixmaterial gezogen wird. Das so erhaltene Segment wird dann verfestigt, wodurch innerhalb der Matrix eingekapselte Fasern bereitgestellt werden. Es wird bevorzugt, daß wie vorstehend beschrieben ein Ultraschallemitter in das Bad aus der geschmolzenen Matrix herabgesenkt wird und verwendet wird, um das Eindringen der Matrix in die Faserkabel zu unterstützen.
Drähte aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix wie beispielsweise diejenigen, die vorstehend beschrieben sind, sind in zahlreichen Anwendungen verwendbar. Man nimmt an, daß derartige Drähte aufgrund ihrer Kombination von geringem Gewicht, hoher Festigkeit, guter elektrischer Leitfähigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient, hohen Gebrauchstemperaturen und Korrosionsbeständigkeit besonders für die Verwendung in Überlandhochspannungsübertragungskabeln wünschenswert sind. Die Konkurrenzfähigkeit von Drähten aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix, wie beispielsweise diejenigen, die vorstehend für die Verwendung bei der Überlandhochspannungsübertragung beschrieben sind, ist ein Ergebnis der bedeutenden Wirkung, die die Kabelleistung auf das gesamte Elektrizitätstransportsystem hat. Ein Kabel mit geringerem Gewicht pro Festigkeitseinheit, gekoppelt mit vergrößerter Leitfähigkeit und geringerer thermischer Ausdehnung, stellt die Fähigkeit bereit, größere Kabel Spannweiten und/oder geringere Masthöhen zu installieren. Als Ergebnis können die Kosten zum Aufbau von elektrischen Masten für ein gegebenes Elektrizitätstransportsystem bedeutend verringert werden. Zusätzlich können Verbesserungen der elektrischen Eigenschaften eines Leiters elektrische Verluste im Übertragungssystem verringern, wodurch die Notwendigkeit für zusätzliche Stromerzeugung zum Ausgleich für solche Verluste verringert wird.
Wie vorstehend bemerkt, nimmt man an, daß die Drähte aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix der vorliegenden Erfindung besonders gut für die Verwendung in Überlandhochspannungsübertragungskabeln geeignet sind. In einer Ausführungsform kann ein Überlandhochspannungsübertragungskabel einen elektrisch leitenden Kern, erzeugt durch mindestens einen Draht aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließen. Der Kern ist von mindestens einem leitfähigen Mantel, erzeugt durch eine Mehrzahl von Drähten aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, umgeben. Zahlreiche Anordnungen von Kabelkern und Mantel sind auf dem Kabelfachgebiet bekannt. Zum Beispiel kann, wie in Fig. 2a gezeigt ist, der Querschnitt eines Überlandhochspannungsübertragungskabels 30 ein Kern 32 aus neunzehn einzelnen Drähten aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix 34 sein, umgeben von einem Mantel 36 aus dreißig einzelnen Drähten aus Aluminium oder Aluminiumlegierung 38. Ähnlich kann, wie in Fig. 2b gezeigt ist, als eine von vielen anderen Ausführungsformen der Querschnitt eines anderen Überlandhochspannungsübertragungskabels 30' ein Kern 32' aus 37 einzelnen Drähten aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix 34' sein, umgeben von einem Mantel 36' aus 21 einzelnen Drähten aus Aluminium oder Aluminiumlegierung 38'.
Der Gewichtsprozentsatz der Drähte aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix innerhalb des Kabels hängt von der Gestaltung der Übertragungsleitung ab. In diesem Kabel bestehen die Drähte aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, die in den leitfahigen Mänteln verwendet werden, aus den verschiedenen Materialien, die auf dem Fachgebiet der Überlandhochspannungsübertragung bekannt sind, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, 1350 Al oder 6201 Al.
In einer anderen Ausführungsform kann ein Überlandhochspannungsübertragungskabel vollständig aus einer Mehrzahl von Drähten aus Verbundwerkstoff mit Aluminium-Matrix mit kontinuierlichen Fasern (CF-AMCs) aufgebaut sein. Wie nachstehend diskutiert wird, ist ein derartiger Aufbau gut geeignet für lange Kabelspannweiten, bei denen das Festigkeit-zu- Gewicht-Verhältnis und der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kabels den Vorrang über die Notwendigkeit zur Minimierung von Widerstandsverlusten haben.
Obwohl abhängig von einer Anzahl von Faktoren, verändert sich das Ausmaß des Durchhängens bei einem Überlandhochspannungsübertragungskabel als Quadrat der Spannlänge und umgekehrt mit der Zugfestigkeit des Kabels. Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, bieten CF-AMC-Materialien wesentliche Verbesserungen im Festigkeit-zu-Gewicht- Verhältnis gegenüber Materialien, die gewöhnlich in der Energieübertragungsindustrie für Kabel verwendet werden. Es sollte bemerkt werden, daß die Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Dichte von CF-AMC-Materialien und Kabeln von dem Faservolumen in dem Verbundwerkstoff abhängig sind. Für Fig. 3, 4a, 4b und 5 wurde ein Faservolumen von 50% angenommen, mit einer entsprechenden Dichte von etwa 3,2 g/cm³ (ungefähr 0,115 lb/in³), einer Zugfestigkeit von 1,38 GPa (200 ksi) und einer Leitfähigkeit von 30% IACS.
Als Ergebnis der vergrößerten Festigkeit von Kabeln, die CF-AMC-Drähte enthalten, kann das Durchhängen des Kabels wesentlich verringert werden. Berechnungen, die das Durchhängen von CF-AMC-Kabeln als Funktion der Spannlänge mit einer gewöhnlich verwendeten Stahllitze (ACSR) (31 Gew.-% Stahl mit einem Kern aus 7 Stahldrähten, umgeben von einem Mantel aus 26 Aluminiumdrähten) und einem gleichwertigen Leiter nur aus Aluminiumlegierung (AAAC) vergleichen, sind in Fig. 4a und 4b gezeigt. Alle Kabel haben gleichwertige elektrische Leitfähigkeit und Durchmesser. Fig. 4a zeigt, daß CF-AMC- Kabel im Vergleich zu ACSR für Spannweiten von etwa 550 m (etwa 1800 Fuß) eine 40%ige Verringerung der Masthöhe bereitstellen. Ähnlich erlauben CF-AMC-Kabel eine Zunahme der Spannlänge von etwa 25%, wobei ein zulässiges Durchhängen von 15 m (etwa 50 Fuß) angenommen wird. Weitere Vorteile aus der Verwendung von CF-AMC-Kabeln bei langen Spannweiten sind in Fig. 4b dargestellt. In Fig. 4b bestand das ACSR-Kabel aus 72 Gew.-% Stahl mit einem Kern aus 19 Stahldrähten, umgeben von einem Mantel aus 16 Aluminiumdrähten.
Das Durchhängen eines Hochspannungsübertragungs(HVPT)-Kabels bei seiner maximalen Betriebstemperatur ist auch von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des Kabels bei seiner maximalen Betriebstemperatur abhängig. Der endgültige CTE des Kabels wird durch den CTE und den Elastizitätsmodul sowohl des verstärkenden Kerns als auch der umgebenden Litzen bestimmt. In gewissen Grenzen sind Materialien mit einem geringen CTE und einem hohen Elastizitätsmodul erwünscht. Der CTE für das CF-AMC- Kabel ist in Fig. 5 als Funktion der Temperatur gezeigt. Referenzwerte für Aluminium und Stahl sind außerdem bereitgestellt.
Es wird bemerkt, daß nicht beabsichtigt ist, die vorliegende Erfindung auf Drähte und HVPT-Kabel zu begrenzen, die die Technologie des Verbundwerkstoffes mit Metall-Matrix verwenden; vielmehr ist beabsichtigt, die hier beschriebenen speziellen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffmaterialien ebenso wie zahlreiche zusätzliche Anwendungen einzuschließen. So können die hier beschriebenen Verbundwerkstoffmaterialien mit Metall- Matrix in einer aus einer breiten Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Schwungradrotoren, Hochleistungsluft- und -raumfahrtteile, Stromübertragung oder viele andere Anwendungen, bei denen Materialien mit hoher Festigkeit und geringer Dichte erwünscht sind.
Es sollte weiter bemerkt werden, daß, obwohl die bevorzugte Ausführungsform Verwendung von den polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern macht, die in der US-Patentschrift 4,954,462 beschrieben sind, die gegenwärtig unter dem Handelsnamen NEXTEL 610 von der Minnesota Mining and Manufacturing Company in St. Paul, MN, vermarktet werden, die Erfindung nicht auf diese speziellen Fasern beschränkt sein soll. Vielmehr sollen alle polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern hier außerdem eingeschlossen sein. Es wird jedoch bevorzugt, daß alle derartigen Fasern eine Zugfestigkeit von mindestens in der Größenordnung der der keramischen Aluminiumoxidfasern NEXTEL 610 (ungefähr 2,8 GPa) haben.
Bei der praktischen Ausführung der Erfindung muß die Matrix über einen Temperaturbereich zwischen etwa 20ºC-760ºC hinsichtlich der Faser chemisch inert sein. Der Temperaturbereich stellt den Bereich der für den Verbundwerkstoff vorhergesagten Verarbeitungs- und Betriebstemperaturen dar. Diese Anforderung minimiert chemische Reaktionen zwischen der Matrix und der Faser, die für die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes insgesamt schädlich sein können. Im Fall eines Matrixmaterials, umfassend eine Legierung von elementarem Aluminium und bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, hat die Legierung im gegossenen Zustand eine Streckfestigkeit von ungefähr 41,4-55,2 MPa (6-8 ksi). Um die Festigkeit dieser Metallegierung zu vergrößern, können verschiedene Behandlungsverfahren verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Legierung, sobald mit den Metallfasern vereinigt, für etwa 16 Stunden auf etwa 520ºC erwärmt, nachfolgend in Wasser abgeschreckt, das bei einer Temperatur zwischen etwa 60- 100ºC gehalten wird. Der Verbundwerkstoff wird dann in einen Ofen gegeben und bei etwa 190ºC gehalten und bei dieser Temperatur gehalten, bis die gewünschte Festigkeit der Matrix erreicht ist (typischerweise 0-10 Tage). Es wurde gefunden, daß die Matrix eine maximale Streckfestigkeit von etwa 68,9-89,6 MPa (10-13 ksi) erreicht, wenn sie für fünf Tage bei einer Temperatur von ungefähr 190ºC gehalten wurde. Im Gegensatz dazu hat reines Aluminium, das nicht speziell wärmebehandelt ist, eine Streckfestigkeit von ungefähr 6,9-13,8 MPa (1-2 ksi) im gegossenen Zustand.

Beispiele

Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, aber die in diesen Beispielen angeführten speziellen Materialien und deren Anteile, ebenso wie andere Bedingungen und Einzelheiten, sollten nicht aufgefaßt werden, als ob sie diese Erfindung ungebührlich begrenzen. Alle Teile und Prozentsätze beziehen sich, wenn nicht anderweitig angezeigt, auf das Gewicht.

Testverfahren

Die Faserfestigkeit wurde unter Verwendung eines Zugprüfgeräts (im Handel erhältlich als Testgerät Instron 4201 von Instron in Canton, MA) gemessen, und der Test ist in ASTM D 3379-75 beschrieben (Standard Test Methods for Tensile Strength and Young's Modulus for High Modulus Single-Filament Materials). Die Eichlänge des Prüfkörpers betrug 25,4 mm (1 Zoll), die Verformungsgeschwindigkeit betrug 0,02 mm/mm/min.
Um die Zugfestigkeit eines Faserkabels festzustellen, wurden von einem Kabel aus Fasern zehn einzelne Faserfilamente zufällig ausgewählt. Jedes Filament wurde getestet, um seine Bruchbelastung festzustellen. Mindestens 10 Filamente wurden getestet, wobei die mittlere Festigkeit der Filamente in dem Kabel bestimmt wurde. Jede einzelne, zufällig ausgewählte Faser hatte eine Festigkeit im Bereich von 2,06-1,82 GPa (300-700 ksi). Die mittlere Zugfestigkeit des einzelnen Filaments lag im Bereich von 2,76 bis 3,58 GPa (400-520 ksi).
Der Faserdurchmesser wurde optisch unter Verwendung eines Zusatzgeräts zu einem optischen Mikroskop (Dolan-Jenner Measure-Rite Video Micrometer System, Model M25- 0002, im Handel erhältlich von Dolan-Jenner Industries, Inc. of Lawrence MA) mit 1000facher Vergrößerung gemessen. Die Vorrichtung verwendete die Betrachtung mit reflektiertem Licht mit einem kalibrierten Kreuztischmikrometer.
Die Bruchspannung jedes einzelnen Filaments wurde als Belastung pro Flächeneinheit berechnet.
Die Faserdehnung wurde aus der Lastverformungskurve bestimmt und lag im Bereich von etwa 0,55% bis etwa 1,3%.
Die mittlere Festigkeit der in den Arbeitsbeispielen verwendeten polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern war größer als 2,76 GPa (400 ksi) (mit 15% typischer Standardabweichung). Je größer die mittlere Festigkeit der verstärkenden Faser ist, desto höher ist die Festigkeit des Verbundwerkstoffes. Verbundwerkstoffe, hergestellt nach dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hatten eine Festigkeit von mindestens 1,38 GPa (200 ksi) (mit 5% Standardabweichung) und oftmals mindestens 1,72 GPa (250 ksi) (mit 5% Standardabweichung), wenn sie mit einem Faservolumenanteil von ungefähr 60% (bezogen auf das Gesamtvolumen des Verbundwerkstoffes) ausgestattet waren.

Zugprüfung

Die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes wurde unter Verwendung eines Zugprüfgeräts (im Handel erhältlich als Instron 8562 Tester von Instron Corp, in Canton, MA) gemessen. Dieser Test wurde im wesentlichen ausgeführt, wie für die Zugprüfung von Metallfolien beschrieben ist, d. h., wie in ASTM E345-93 (Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Foil) beschrieben ist.
Um die Zugprüfung durchzuführen, wurde der Verbundwerkstoff zu einer Platte von 15,24 cm · 7,62 cm · 0,13 cm (6 Zoll · 3 Zoll · 0,05 Zoll) verarbeitet. Unter Verwendung einer Diamantsäge wurde diese Platte zu sieben Probestücken (15,24 cm · 0,95 cm · 0,13 cm (6 Zoll · 0,375 Zoll · 0,05 Zoll)) zerschnitten, die zum Testen verwendet wurden.
Die mittlere Längsfestigkeit (d. h. die Faser parallel zur Testrichtung) wurde mit 1,38 GPa (200 ksi) für Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus entweder reinem Aluminium oder reinem Aluminium mit 2 Gew.-% Kupfer gemessen. Für Verbundwerkstoffe mit einem Faservolumengehalt von etwa 60% betrug die mittlere Querfestigkeit (d. h. die Faser senkrecht zur Testrichtung) 138 MPa (20 ksi) für Verbundwerkstoffe, die reines Aluminium enthalten, und 262 MPa (38 ksi) für Verbundwerkstoffe, die mit der Aluminium/2%-Kupfer-Legierung hergestellt sind.
Spezielle Beispiele verschiedener Fertigungen von Verbundwerkstoffen mit Metall- Matrix sind nachstehend beschrieben.

Beispiel 1 - Herstellung eines faserverstärkten Metallverbundwerkstoffes

Ein Verbundwerkstoff wurde unter Verwendung eines Faserkabels aus keramischen Aluminiumoxidfasern NEXTEL 610 hergestellt. Das Kabel enthielt 420 Fasern. Die Fasern waren im wesentlichen rund im Querschnitt und hatten Durchmesser im Bereich von im Durchschnitt ungefähr 11-13 Mikrometern. Die mittlere Zugfestigkeit der Fasern (gemessen wie vorstehend beschrieben) lag im Bereich von 2,76-3,58 GPa (400-520 ksi). Einzelne Fasern hatten Festigkeiten im Bereich von 2,06-4,82 GPa (300-700 ksi).
Die Fasern wurden für das Tränken mit Metall vorbereitet, indem die Fasern zu einer "Vorform" aufgewickelt wurden. Im einzelnen wurden die Fasern mit destilliertem Wasser benetzt und rund um eine rechteckige Trommel mit einem Umfang von ungefähr 86,4 cm (34 Zoll) in mehrfachen Schichten zu der gewünschten Dicke der Vorform von ungefähr 0,25 cm (0,10 Zoll) aufgewickelt.
Die aufgewickelten Fasern wurden von der Trommel geschnitten und in der Formhöhlung gestapelt, um die endgültige gewünschte Dicke der Vorform herzustellen. Eine Graphitform in der Gestalt einer rechteckigen Platte wurde verwendet. Ungefähr 1300 Gramm Aluminiummetall (im Handel erhältlich als Qualität 99, 99% von Belmont Metals in Brooklyn, NY) wurden in das Gießgefäß gegeben.
Die die Fasern enthaltende Form wurde in eine Gießvorrichtung mit Drucktränkung gegeben. In dieser Vorrichtung wurde die Form in ein luftdichtes Gefäß oder einen Tiegel gegeben und auf den Boden einer evakuierbaren Kammer gestellt. Stücke von Aluminiummetall wurden in die Kammer auf eine Trägerplatte über der Form eingefüllt. Kleine Löcher (ungefähr 2,54 mm im Durchmesser) waren in der Trägerplatte vorhanden, um den Durchtritt von geschmolzenem Aluminium in die Form darunter zu gestatten. Die Kammer wurde verschlossen und der Kammerdruck wurde auf 3 Millitorr verringert, um die Luft aus der Form und der Kammer zu evakuieren. Das Aluminiummetall wurde auf 720ºC erwärmt, und die Form (und die fasrige Vorform darin) wurde auf mindestens etwa 670ºC erwärmt. Das Aluminium schmolz bei dieser Temperatur, aber verblieb auf der Platte über der Form. Um die Form zu füllen, wurde der Strom für die Heizvorrichtungen abgeschaltet, und die Kammer wurde unter Druck gesetzt, indem sie mit Argon bis zu einem Druck von 8,96 MPa (1300 psi) gefüllt wurde. Das geschmolzene Aluminium floß sofort durch die Löcher in der Trägerplatte und in die Form. Man ließ die Temperatur auf 600ºC abfallen, bevor die Kammer mit der Außenluft belüftet wurde. Nachdem die Kammer auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde das Teil aus der Form entnommen. Die so erhaltenen Proben hatten Abmessungen von 15,2 cm · 7,6 cm · 0,13 cm (6 Zoll · 3 Zoll · 0,05 Zoll).
Die rechteckigen Verbundwerkstoffstücke der Proben enthielten 60 Volumen-% Faser. Der Volumenanteil wurde gemessen, indem das Archimedes-Prinzip der Verdrängung von Flüssigkeiten verwendet wurde und indem eine Mikrophotographie eines polierten Querschnitts in 200facher Vergrößerung untersucht wurde.
Das Teil wurde zu Probestücken für die Zugprüfung zerschnitten; es wurde nicht weiter bearbeitet. Die Zugfestigkeit, gemessen von wie vorstehend beschriebenen Probestücken, betrug 1400 MPa (204 ksi) (Längsfestigkeit) und 140 MPa (20,4 ksi) (Querfestigkeit).

Beispiel 2 - Herstellung von Drähten aus Verbundwerkstoff mit Metall-Matrix

Die Fasern und das Metall, die in diesem Beispiel verwendet wurden, waren die gleichen wie diejenigen, die in Beispiel 1 beschrieben sind. Die Aluminiumoxidfaser wurde nicht zu einer Vorform verarbeitet. Statt dessen wurden die Fasern (in der Form von mehrfachen Kabeln) in ein geschmolzenes Bad aus Aluminium und dann auf eine Aufnehmerspule geführt. Das Aluminium wurde in einem Aluminiumoxidtiegel mit den Abmessungen von etwa 24,1 cm · 31,8 cm · 31,8 cm (9,5 Zoll · 12,5 Zoll · 12,5 Zoll) (im Handel erhältlich von Vesuvius McDaniel in Beaver Falls, PA) geschmolzen. Die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums betrug ungefähr 720ºC. Eine Legierung von 95% Niob und 5% Molybdän wurde zu einem Zylinder mit den Abmessungen von etwa 12,7 cm (5 Zoll) Länge · 2,5 cm (1 Zoll) Durchmesser geformt. Der Zylinder wurde als Antrieb für einen Ultraschallemitter verwendet, indem auf die gewünschte Schwingung (d. h., abgestimmt durch Veränderung der Länge), auf eine Schwingungsfrequenz von etwa 20,0-20,4 kHz, abgestimmt wurde. Die Amplitude des Antriebs war größer als 0,002 cm (0,0008 Zoll). Der Antrieb wurde mit einem Titanhohlleiter verbunden, der dann wieder mit dem Ultraschallenergieumwandler verbunden wurde. Die Fasern wurden mit Matrixmaterial getränkt, wobei Drähte mit relativ gleichmäßigem Querschnitt und Durchmesser erzeugt wurden. Durch dieses Verfahren hergestellte Drähte hatten Durchmesser von etwa 0,13 cm (0,05 Zoll).
Es wurde aus einer Mikrophotographie eines Querschnitts (bei 200facher Vergrößerung) geschätzt, daß die Volumenprozent Faser etwa 40 Volumen-% betrugen.
Die Zugfestigkeit des Drahtes betrug 1,03-1,31 GPa (150-190 ksi).
Die Dehnung bei Raumtemperatur betrug ungefähr 0,7-0,8%. Die Dehnung wurde während der Zugprüfung mittels eines Dehnungsmessers gemessen.

Beispiel 3 - Verbundwerkstoffmaterialien mit Metall-Matrix unter Verwendung einer Matrix aus Al/Cu-Legierung

Dieses Beispiel wurde exakt ausgeführt, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, ausgenommen, daß anstatt der Verwendung von reinem Aluminium eine Legierung, die Aluminium und 2 Gew.-% Kupfer enthielt, verwendet wurde. Die Legierung enthielt weniger als etwa 0,02 Gew.-% Eisen und weniger als etwa 0,05 Gew.-% Gesamtverunreinigungen. Die Streckfestigkeit dieser Legierung lag im Bereich von 41,4-103,4 MPa (6-15 ksi). Die Legierung wurde gemäß dem folgenden Schema wärmebehandelt.
520ºC für 16 Stunden, nachfolgend ein Abschrecken mit Wasser (Wassertemperatur im Bereich von 60-100ºC); und
sofort in einen Ofen mit 190ºC gegeben und 5 Tage gehalten.
Die Verarbeitung erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben, wobei rechteckige Stücke erzeugt wurden, um für die Zugprüfung geeignete Probestücke herzustellen, außer daß das Metall auf 710ºC erwärmt wurde und die Form (mit den Fasern darin) auf mehr als 660ºC erwärmt wurde.
Der Verbundwerkstoff enthielt 60 Vol.-% Faser. Die Längsfestigkeit lag im Bereich von 1,38-1,86 GPa (200-270 ksi) (mit dem Mittelwert aus 10 Messungen von 1,52 GPa (220 ksi)), und die Querfestigkeit lag im Bereich von 239-328 MPa (35-48 ksi) (mit einem Mittelwert aus 10 Messungen von 262 MPa (38 ksi)).

Gleichwertigkeiten

Verschiedene Modifizierungen und Veränderungen zu dieser Erfindung werden für den Fachmann offensichtlich, ohne vom Umfang und Geist dieser Erfindung abzuweichen. Es ist selbstverständlich, daß diese Erfindung nicht ungebührlich durch die hier angegebenen veranschaulichenden Ausführungsformen und Beispiele begrenzt sein soll und daß derartige Beispiele und Ausführungsformen lediglich als Beispiel dargestellt werden, wobei der Umfang der Erfindung nur durch die hier wie folgt angegebenen Patentansprüche begrenzt sein soll.

Claims

1. Verbundwerkstoffmaterial, umfassend eine Mehrzahl kontinuierlicher polykristalliner α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern mit einer mittleren Zugfestigkeit von mindestens etwa 2,8 GPa, enthalten innerhalb einer Matrix, ausgewählt aus elementarem Aluminium und einer Legierung von elementarem Aluminium und bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, wobei das Aluminium weniger als 0,05 Gew.-% Verunreinigungen enthält und wobei die Matrix im wesentlichen frei von Phasen oder Bereichen des Materials ist, die imstande sind, die Sprödigkeit der Matrix zu erhöhen.

2. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl kontinuierlicher polykristalliner α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern mindestens ein Kabel aus den kontinuierlichen polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern einschließt.

3. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 2, umfassend zwischen etwa 40-60 Vol.-% polykristalline α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern.

4. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Matrix aus elementarem Aluminium weniger als etwa 0,03 Gew.-% Eisen enthält.

5. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die kontinuierlichen polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern frei von einer äußeren schützenden Beschichtung sind.

6. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Matrix aus elementarem Aluminium eine Streckfestigkeit von weniger als etwa 20 MPa hat.

7. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Legierung von elementarem Aluminium und bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer eine Streckfestigkeit von weniger als etwa 90 MPa hat.

8. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1,17 GPa.

9. Draht, umfassend Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Draht nach Anspruch 9, wobei der Draht eine mittlere Zugfestigkeit von mindestens 1,38 GPa hat.

11. Überlandhochspannungsübertragungskabel, das eine Mehrzahl von Drähten aus Verbundwerkstoff mit Aluminium-Matrix nach Anspruch 9 oder 10 umfaßt.

12. Überlandhochspannungsübertragungskabel nach Anspruch 11, das weiterhin mindestens einen leitfähigen Mantel, umfassend eine Mehrzahl von leitfahigen Drähten aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, einschließt.

13. Verfahren zum Herstellen eines Drahtes aus Verbundwerkstoff nach Anspruch 9 oder 10, umfassend die Schritte:

(a) Schmelzen eines Matrixmaterials, ausgewählt aus elementarem Aluminium und einer Legierung von elementarem Aluminium mit bis zu etwa 2 Gew.-% Kupfer, wobei das Aluminium in dem Matrixmaterial weniger als 0,05 Gew.-% Verunreinigungen enthält, um ein Bad aus geschmolzenem Metallmatrixmaterial bereitzustellen;

(b) Einführen mindestens eines Kabels aus kontinuierlichen polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern in das Bad aus geschmolzenem Metallmatrixmaterial, während das geschmolzene Metallmatrixmaterial mittels eines Ultraschallemitters gerührt wird, um dem geschmolzenen Metallmatrixmaterial zu gestatten, das Faserkabel zu tränken, so daß mindestens ein getränktes Faserkabel bereitgestellt wird, wobei die Matrix hinsichtlich der Faser über einen Temperaturbereich von 20ºC-760ºC chemisch inert ist; und

(c) Herausziehen des getränkten mindestens einen Kabels aus kontinuierlichen polykristallinen α-Al&sub2;O&sub3;-Fasern aus dem Bad aus geschmolzenem Metallmatrixmaterial, um einen Draht bereitzustellen, wobei das Aluminium in dem Matrixmaterial weniger als 0,05 Gew.-% Verunreinigungen enthält.