EP0280184A2 - Verfahren zum Aufbringen einer Silicium-Schicht auf Fasern - Google Patents

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EP0280184A2
EP0280184A2 EP88102328A EP88102328A EP0280184A2 EP 0280184 A2 EP0280184 A2 EP 0280184A2 EP 88102328 A EP88102328 A EP 88102328A EP 88102328 A EP88102328 A EP 88102328A EP 0280184 A2 EP0280184 A2 EP 0280184A2
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EP
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silicon
coated
coating
cathode
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BASF SE
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    • D01F11/10—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon
    • D01F11/16—Chemical after-treatment of artificial filaments or the like during manufacture of carbon by physicochemical methods
    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements
    • D06M10/04—Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements

Definitions

  • the invention relates to a method for applying a thin, surface-protecting and adhesion-promoting silicon layer to fibers by sputtering.
  • Carbon fibers are generally in contact with carbide-forming metals, e.g. Aluminum, not stable, so that the fibers intended to reinforce these metals must be provided with a protective diffusion barrier layer before they are embedded in the metal matrix.
  • Protective layers are also necessary for fibers that are exposed to oxidizing media, especially at higher temperatures.
  • Silicon carbide offers itself as a protective surface layer due to its good chemical resistance to metals, its good abrasion resistance, its low density and thermal expansion as well as its resistance to oxidation.
  • carbon fibers are treated as reinforcing components in a matrix made of synthetic resin by various methods such as thermal, wet and electrochemical surface oxidation in order to improve the adhesion to the polymer matrix by creating surface-active groups on the fiber.
  • various methods such as thermal, wet and electrochemical surface oxidation
  • polymer coatings by radiation-induced grafting reactions or electropolymerization processes which are carried out both anodically and cathodically on the fiber surface, are known.
  • the polymer coating acts as an adhesion promoter between the fiber and the matrix.
  • Coating from the gas phase is most commonly used with the so-called CVD (chemical vapor deposition) process.
  • CVD chemical vapor deposition
  • DE-C 32 49 624 describes the production of fibers with a superconducting layer made of a niobium compound by reactive direct current cathode sputtering ("d.c. sputtering") of niobium.
  • d.c. sputtering reactive direct current cathode sputtering
  • JP-A 119 222/85 describes carbon fibers with a ceramic layer, e.g. described from silicon carbide.
  • the coating is preferably carried out by the CVD process, other coating processes, e.g. by sputtering are mentioned without giving any further details.
  • the invention was based on the object of developing a technically simple method for applying a surface-protecting and adhesion-promoting silicon layer on reinforcing fibers, in which a large number of individual fibers combined into a bundle can be coated homogeneously at the same time.
  • cathode sputtering The principle of cathode sputtering is known. In this method, a gas discharge process is maintained between two electrodes in a rare gas plasma. In the field required for this, the positively charged noble gas ions generated by collision processes are accelerated to a cathode. On the one hand, the ions striking the cathode with an energy of a few keV release secondary electrons from the cathode surface, which ensure that the gas discharge is maintained; on the other hand, they knock material out of the cathode. These mostly neutral particles diffuse through the gas space and hit the fibers in the gas space with medium energies of a few eV, with the result that they grow there into a closed layer.
  • Technical embodiments and devices for cathode sputtering are described, for example, in the magazine "Vacuum Technology" 1975, pages 1 to 11.
  • the problem with conventional direct current cathode sputtering is that when coating geometrically complex substrates, such as e.g. Fiber bundle, due to the directed atomization, the individual fibers of the fiber bundle shade each other. Because of the poor scattering power of the particles to be applied, a simultaneous coating of the individual fibers is only possible by direct current cathode sputtering if the fiber bundles have been mechanically fanned out. According to the invention, this problem is solved by high-frequency sputtering. Because of the higher mobility of the electrons during the positive half-wave, considerably more electrons reach the silicon or silicon carbide electrode to be atomized than in the negative half-wave in the applied alternating field. Since silicon or silicon carbide is a semiconductor, i.e.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that the cathode sputtering can also be operated reactively.
  • one or more components which are chemically active with respect to the dusted cathode material are added to the noble gas plasma.
  • the noble gas plasma For example, with a silicon cathode by adding hydrocarbons to the plasma, depending on the type and concentration of the hydrocarbon and the atomizing power, coatings of the empirical formula Si x C y H z can be obtained, the properties of which between those of silicon, silicon carbide and those of silicon Carbon-hydrogen plasma polymers lie.
  • By adding other reactive gas components, such as oxygen or nitrogen, oxides or nitrides can be separated. It is also possible to obtain concentration gradients which can be set in a targeted manner in the boundary layer between fiber and coating material. For example, you can first deposit a layer of silicon directly on the fiber and then a layer of silicon carbide.
  • a significant increase in the sputtering rate of a few nm coating thickness per minute which can usually be achieved with cathode sputtering arrangements can be achieved by additionally using a focussing layer in the boundary layer between fiber and Achieve magnetic field.
  • magnetron sputterers by applying a magnetic field perpendicular to the direction of electron movement, the electrons are forced on spiral tracks around the field direction, which increases their path and thus the probability of ionization, which makes higher sputtering rates possible.
  • the cathode material can either consist of ⁇ -SiC, which is atomized as such and deposited on the fibers, or it can consist of Si, which can optionally be reacted with reactive additives to the plasma during the atomization, so that the corresponding reaction products on the fibers be put down.
  • the preferred material for the fibers is carbon; However, fibers of glass, silicon carbide, boron, steel or polymers, such as e.g. aromatic polyamides or polypropylene can be coated.
  • the fibers are in the form of fiber bundles, which can contain up to several thousand individual filaments. Expediently, several fiber bundles are coated at the same time by unwinding them from carrier spools, passing them through the plasma and coating them, and rewinding them on take-up spools.
  • the coating can be carried out with several cathodes connected in series, e.g. can be offset from one another by 180 ° or by 120 ° (in the case of three cathodes).
  • the distance between the electrodes is generally between 2 and 10 cm;
  • the size and shape of the electrodes can be designed as desired, they depend on the geometry of the substrates to be coated.
  • the high-frequency cathode sputtering according to the invention can be operated at a frequency from approximately 10 kHz, preferably greater than 10 MHz. In the Federal Republic of Germany, frequencies of 13.56 and 27.2 MHz are approved by Swiss Post. The maximum achievable power density is around 20 W / cm2. In practice, power densities of around 10 W / cm2 are used.
  • the achievable layer thicknesses can vary between 5 and 1000 nm; thicknesses of 10 to 100 nm are preferred.
  • the device shown in the figure contains a coating chamber 1, which can be evacuated to a residual gas pressure of less than 10 3 Pa via two pump connections 2 with a backing pump 3 and a diffusion pump or a turbomolecular pump 4.
  • An inert gas which is also referred to as plasma or working gas, can be introduced into the interior of the coating chamber via an inlet valve 5 and a flow meter 6 is usually argon.
  • a reactive gas for reactive atomization can be metered into the working gas via a second flow meter 6 and a mixing chamber 7, the proportion of which is analyzed via a quadrupole mass spectrometer 8.
  • a working pressure of, for example, 0.1 to 2 Pa, which is predetermined by the cathode sputtering process and electrode spacing, can be kept constant by supplying the recipient with so much gas through the inlet valve 5 that the desired working pressure is obtained when the gas is pumped out uniformly via a throttle valve 9 sets.
  • the target material 10 e.g. SiC or Si
  • cathodes 11 which in turn are electrically insulated from the walls of the coating chamber
  • the energy required for this can be supplied to the cathodes 11 via a coaxial feed line and an adaptation network 13 from an external high-frequency generator 14.
  • the plasma itself serves as an ionization source for the gases that are used for atomization.
  • the fiber bundles 15 to be coated are guided through the plasma 12 at a distance of 3 to 6 cm from the target surfaces.
  • the fiber bundles 15 are transported by unwinding spools 16, which lie outside the plasma zone and are electrically insulated from the walls of the coating chamber, through the plasma 12 via two deflection rollers 17. There, the fiber bundles are hit by particles which emerge from the target surface by ion bombardment and which grow up to form the actual coating.
  • the coated fibers are wound up by collecting coils 18, which are driven electromechanically from the outside via a vacuum shaft bushing.
  • the fiber bundles can be heated by infrared radiators 19 before the coating.
  • the fibers coated according to the invention have improved adhesion to synthetic resin matrices; coated carbon and silicon carbide fibers show improved oxidation resistance.
  • the fibers coated according to the invention can be used as reinforcing fibers for ceramic and metallic materials, but in particular for the production of plastic composite materials. All conventional thermoplastics and thermosets are suitable as plastics.
  • Table 2 shows the improved mechanical properties of epoxy resin composites with coated fibers.
  • Composites were produced from a commercially available epoxy resin and 60 vol.% Reinforcing fibers made of carbon (HTA 7 from TOHO) or silicon carbide (Nicalon from Nippon Carbon Co.), which were coated with SiC of different thicknesses.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren zum Beschichten von Faserbündeln, insbesondere von Kohlenstoff-Fasern, mit einer Schicht aus Silicium, welches als Carbid, Oxid, Nitrid, Silicium-Kohlenstoff-Wasserstoff-Plasmapolymere oder in elementarer Form vorliegt, durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung. Die beschichteten Fasern sind insbesondere zur Herstellung von Kunststoff-Verbundwerkstoffen geeignet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer dünnen, ober­flächenschützenden und haftvermittelnden Silicium-Schicht auf Fasern durch Kathodenzerstäubung.
  • Kohlenstoffasern sind im allgemeinen bei höheren Temperaturen im Kontakt mit carbidbildenden Metallen, wie z.B. Aluminium, nicht stabil, so daß die zur Verstärkung dieser Metalle vorgesehenen Fasern vor ihrer Einlagerung in die Metallmatrix mit einer schützenden Diffusionssperrschicht zu ver­sehen sind. Schutzschichten sind auch für Fasern notwendig, die oxidieren­den Medien, insbesondere bei höheren Temperaturen, ausgesetzt sind. Siliciumcarbid bietet sich hierbei wegen seiner guten chemischen Bestän­digkeit gegenüber Metallen, seiner guten Abriebfestigkeit, seiner geringen Dichte und thermischen Ausdehnung sowie seiner Oxidationsbeständigkeit als schützende Oberflächenschicht an.
  • Bekannt ist, daß Kohlenstoffasern vor dem Einbau als Verstärkungs­komponente in eine Matrix aus Kunstharz durch unterschiedliche Verfahren wie thermische, naß- und elektrochemische Oberflächenoxidation behandelt werden, um die Haftung zur Polymermatrix durch die Erzeugung oberflächen­aktiver Gruppen auf der Faser zu verbessern. Neben den Verfahren der oxidativen Oberflächenbehandlung sind Polymerbeschichtungen durch strahlungsinduzierte Pfropfreaktionen oder Elektropolymerisations­verfahren, die sowohl anodisch als auch kathodisch auf der Faseroberfläche durchgeführt werden, bekannt. Hierbei hat die Polymerbeschichtung die Funktion eines Haftvermittlers zwischen Faser und Matrix.
  • Eine Vielzahl von Beschichtungsverfahren für Kohlenstoff-Fasern ist bekannt. Am häufigsten angewandt werden die Beschichtung aus der Gasphase mit dem sogenannten CVD (chemical vapor deposition)-Verfahren.
  • Diese Verfahren besitzen den Nachteil, daß für das Aufbringen von Siliciumcarbid-Schichten Substrattemperaturen zwischen 800 und 1200°C erforderlich sind, so daß sie sich ausschließlich für die Beschichtung von Kohlenstoff- oder Siliciumcarbidfasern eignen. Entsprechend der Notwendigkeit, hohe Temperaturen zu verwenden, können die Morphologie und Struktur und somit die chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Beschichtung als auch deren Haftung auf der Faserober­fläche nur bedingt beeinflußt werden. Die Verwendung von Aufdampfverfahren für die Beschichtung von Fasern mit Siliciumcarbid, die nur reaktiv der erfolgen können (Silicium in Kohlenwasserstoffatmosphäre), setzen wegen der geringen geometrischen Streuung der von den Verdampferquellen emittierten Teilchen eine mechanische Aufspreizung der Einzelfilamente von Faserbündeln voraus. Zudem muß die reaktive Komponente durch hohe Substrattemperaturen oder die Verwendung eines Plasmas aktiviert werden.
  • In der DE-C 32 49 624 ist die Herstellung von Fasern mit einer supra­leitenden Schicht aus einer Niobverbindung durch reaktive Gleichstrom-­Kathodenzerstäubung ("d.c. sputtering") von Niob beschrieben. Auch hier müssen die Faserbündel mechanisch aufgespreizt werden, was zu Faserbruch führen kann.
  • In JP-A 119 222/85 sind Kohlenstoff-Fasern mit einer keramischen Schicht, z.B. aus Siliciumcarbid beschrieben. Die Beschichtung wird vorzugsweise nach dem CVD-Verfahren vorgenommen, andere Beschichtungsverfahren, z.B. durch Kathodenzerstäubung werden nebenbei ohne Angabe weiterer Einzel­heiten erwähnt.
  • Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, ein technisch einfach durch­zuführendes Verfahren zum Aufbringen einer oberflächenschützenden und haftvermittelnden Silicium-Schicht auf Verstärkungsfasern zu entwickeln, bei dem gleichzeitig eine Vielzahl von einzelnen, zu einem Bündel zusammengefaßten Fasern homogen beschichtet werden können.
  • Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe gelöst wird, wenn die Oberflächen­schicht durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
  • Das Prinzip der Kathodenzerstäubung ist bekannt. Bei diesem Verfahren wird zwischen zwei Elektroden in einem Edelgasplasma ein Gasentladungsprozeß aufrechterhalten. In dem hierfür erforderlichen Feld werden die durch Stoßprozesse erzeugten, positiv geladenen Edelgas-Ionen auf eine Kathode zu beschleunigt. Die mit einer Energie von einigen keV auf die Kathode auftreffenden Ionen lösen nun einerseits Sekundärelektronen aus der Kathodenoberfläche heraus, die für die Aufrechterhaltung der Gasentladung sorgen; andererseits schlagen sie Material aus der Kathode heraus. Diese meist neutralen Partikel diffundieren durch den Gasraum und treffen mit mittleren Energien von einigen eV auf die im Gasraum geführten Fasern auf, mit der Folge, daß sie dort zu einer geschlossenen Schicht aufwachsen. Technische Ausführungsformen und Einrichtungen zur Kathodenzerstäubung sind z.B. in der Zeitschrift "Vakuumtechnik" 1975, Seiten 1 bis 11, beschrieben.
  • Bei der herkömmlichen Gleichstrom-Kathodenzerstäubung ergibt sich das Problem, daß bei Beschichtung geometrisch komplexer Substrate, wie z.B. Faserbündel, infolge der gerichteten Zerstäubung die einzelnen Fasern der Faserbündel sich gegenseitig abschatten. Wegen des mangelhaften Streu­vermögens der aufzutragenden Partikel ist deshalb durch Gleichstrom-­Kathodenzerstäubung eine gleichzeitige Beschichtung der einzelnen Fasern nur möglich, wenn die Faserbündel mechanisch aufgefächert wurden. Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Hochfrequenz-Kathoden­zerstäubung gelöst. In dem angelegten Wechselfeld gelangen wegen der höheren Beweglichkeit der Elektronen während der positiven Halbwelle wesentlich mehr Elektronen an die zu zerstäubende Silicium- bzw. Silicium­carbid-Elektrode als in der negativen Halbwelle Ionen. Da Silicium bzw. Siliciumcarbid ein Halbleiter ist, d.h. als Dielektrikum wirkt, läd sich die Oberfläche dieser Elektrode negativ auf; sie wird zur Kathode. Dem angelegten Wechselfeld überlagert sich also ein Gleichspannungspotential, unter dessen Einfluß die Kathode, wie oben beschrieben, zerstäubt. Durch elektrische Aufladung der Faserfilamente im Hochfrequenz-Plasma kommt es nun zu einer gegenseitigen Abstoßung der einzelnen, sonst eng aneinander anliegenden Filamente der Faserbündel. Hierdurch wird bewirkt, daß die von der Kathode abgestäubten und an Plasmateilchen bzw. an der Faseroberfläche gestreuten Partikel auch auf der Oberfläche der im Inneren des Faser­bündels liegenden Filamente kondensieren und so eine geschlossene, homogene Beschichtung bilden.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß die Kathoden-Zerstäubung auch reaktiv betrieben werden kann. Dazu werden dem Edelgasplasma eine oder mehrere gegenüber dem abgestäubten Kathoden­material chemisch aktive Komponente zugesetzt. So können z.B. mit einer Silicium-Kathode durch Zusatz von Kohlenwasserstoffen zum Plasma je nach Art und Konzentration des Kohlenwasserstoffs und der Zerstäuberleistung Beschichtungen der Summenformel SixCyHz erhalten werden, deren Eigen­schaften zwischen denen des Siliciums, des Siliciumcarbids und der von Silicium-Kohlenstoff-Wasserstoff-Plasmapolymeren liegen. Durch Zusatz von anderen reaktiven Gaskomponenten, wie Sauerstoff oder Stickstoff, lassen sich Oxide bzw. Nitride abscheiden. Es können auch gezielt einstellbare Konzentrationsgradienten in der Grenzschicht zwischen Faser und Beschichtungsmaterial erhalten werden. So kann man z.B. direkt auf der Faser erst eine Siliciumschicht und darauf dann eine Schicht aus Siliciumcarbid abscheiden.
  • Eine deutliche Steigerung der üblicherweise mit Kathodenzerstäubungs­anordnungen erzielbaren Aufstäubungsrate von einigen nm Beschichtungsdicke pro Minute läßt sich durch zusätzliche Verwendung eines fokussierenden in der Grenzschicht zwischen Faser und Magnetfelds erzielen. Bei diesen sogenannten Magnetronsputtern werden durch Anlegen eines Magnetfeldes senkrecht zur Elektronenbewegungsrichtung die Elektronen auf spiralförmige Bahnen um die Feldrichtung gezwungen, was ihren Weg und damit die Ionisationswahrscheinlichkeit vergrößert, wodurch höhere Aufstäubraten möglich werden.
  • Das Kathodenmaterial kann entweder aus α-SiC bestehen, das als solches zerstäubt und auf den Fasern niedergeschlagen wird, oder es kann aus Si bestehen, welches während der Zerstäubung gegebenenfalls mit reaktiven Zusätzen zum Plasma umgesetzt werden kann, so daß die entsprechenden Umsetzungsprodukte auf den Fasern niedergeschlagen werden.
  • Bevorzugtes Material für die Fasern ist Kohlenstoff; nach dem erfindungs­gemäßen Verfahren können aber auch Fasern aus Glas, Siliciumcarbid, Bor, Stahl oder Polymeren, wie z.B. aromatischen Polyamiden oder Polypropylen beschichtet werden. Die Fasern liegen in Form von Faserbündeln vor, die bis zu mehrere tausend Einzelfilamente enthalten können. Zweckmäßigerweise werden mehrere Faserbündel gleichzeitig beschichtet, indem man sie von Trägerspulen abwickelt, durch das Plasma führt und beschichtet und auf Aufnehmerspulen wieder aufwickelt. Dabei kann die Beschichtung mit mehreren hintereinander geschalteten Kathoden erfolgen, die z.B. um 180° oder um 120° (im Fall von drei Kathoden) gegeneinander versetzt sein können. Der Abstand der Elektroden voneinander liegt im allgemeinen zwischen 2 und 10 cm; Größe und Form der Elektroden kann beliebig gestaltet werden, sie richten sich nach der Geometrie der zu beschichteten Substrate.
  • Die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung (radio frequency sputtering) kann mit einer Frequenz ab ca. 10 kHz, vorzugsweise von größer als 10 MHz betrieben werden. In der Bundesrepublik Deutschland sind von der Post Frequenzen von 13,56 und 27,2 MHz zugelassen. Die maximal erreichbare Leistungsdichte liegt bei etwa 20 W/cm², in der Praxis wird bei Leistungsdichten um 10 W/cm² gearbeitet.
  • Die erzielbaren Schichtdicken können in weiten Grenzen zwischen 5 und 1000 nm schwanken; bevorzugt werden Dicken von 10 bis 100 nm.
  • Die in der Figur dargestellte Vorrichtung enthält eine Beschichtungs­kammer 1, die über zwei Pumpstutzen 2 mit einer Vorpumpe 3 und einer Diffusionspumpe oder einer Turbomolekularpumpe 4 auf einen Restgasdruck von unter 10³ Pa evakuiert werden kann. In den Innenraum der Beschich­tungskammer kann über ein Einlaßventil 5 und einen Durchflußmesser 6 ein Inertgas, das auch als Plasma- oder Arbeitsgas bezeichnet wird und üblicherweise Argon ist, eingelassen werden. Dem Arbeitsgas kann über einen zweiten Durchflußmesser 6 und eine Mischkammer 7 ein reaktives Gas für die reaktive Zerstäubung zudosiert werden, dessen Anteil über einen Quadrupolmassenspektrometer 8 analysiert wird. Ein durch den das Kathoden­zerstäubungsverfahren und Elektrodenabstand vorgegebener Arbeitsdruck von beispielsweise 0,1 bis 2 Pa kann dadurch konstant gehalten werden, daß dem Rezipienten durch das Einlaßventil 5 soviel Gas zugeführt wird, so daß sich bei gleichmäßigem Abpumpen des Gases über ein Drosselventil 9 der gewünschte Arbeitsdruck einstellt.
  • Für die Zerstäubung des Targetmaterials 10, z.B. aus SiC oder Si, das auf wassergekühlte Edelstahlkathoden 11 gebondet ist, die ihrerseits gegen die Wände der Beschichtungskammer elektrisch isoliert sind, wird zwischen den Elektroden ein Niederdruckplasma 12 gezündet. Die hierzu erforderliche Energie kann den Kathoden 11 über eine koaxiale Zuleitung und ein Anpassungsnetzwerk 13 von einem externen Hochfrequenz-Generator 14 zu­geführt werden. Das Plasma selbst dient als Ionisationsquelle für die Gase, welche zur Zerstäubung eingesetzt werden. Die zu beschichtenden Faserbündel 15 werden in einem Abstand von 3 bis 6 cm zu den Target­oberflächen durch das Plasma 12 geführt. Hierzu werden die Faserbündel 15 von Abwickelspulen 16, die außerhalb der Plasmazone liegen und gegen die Wände der Beschichtungskammer elektrisch isoliert sind, über zwei Umlenk­rollen 17 durch das Plasma 12 transportiert. Dort werden die Faserbündel durch Teilchen, die durch den Ionenbeschuß aus der Targetoberfläche austreten, getroffen, die zu der eigentlichen Beschichtung aufwachsen. Durch Auffangspulen 18, deren Antrieb über eine Vakuumwellendurchführung elektromechanisch von außen erfolgt, werden die beschichteten Fasern auf­gewickelt. Um beispielsweise das Korngefüge der Beschichtung oder die Haftung der Schichten auf den Substraten zu beeinflussen, die wesentlich von der Substratoberflächentemperatur abhängen, können die Faserbündel durch Infrarotstrahler 19 vor der Beschichtung aufgeheizt werden.
  • Die erfindungsgemäß beschichteten Fasern weisen eine verbesserte Haftung zu Kunstharzmatrizes auf; beschichtete Kohlenstoff- und Siliciumcarbid-­Fasern zeigen eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit.
  • Die verbesserte Oxidationsbeständigkeit ist aus Tabelle 1 ersichtlich. Dabei wurden Kohlenstoff-Fasern (HTA 7 der Fa. TOHO RAYON), die mit Siliciumcarbid-Schichten verschiedener Dicke überzogen waren, jeweils auf 900°C (Aufheizrate 10°K/min) erhitzt. Der Massenverlust wurde gravimetrisch bestimmt.
    Figure imgb0001
  • Die erfindungsgemäß beschichteten Fasern können als Verstärkungsfasern für keramische und metallische Werkstoffe, insbesondere aber zur Herstellung von Kunststoff-Verbundwerkstoffen benutzt werden. Als Kunststoffe kommen dabei alle üblichen Thermoplaste und Duroplaste in Frage.
  • Tabelle 2 zeigt die verbesserten mechanischen Eigenschaften von Epoxid­harz-Verbundwerkstoffen mit beschichteten Fasern. Verbundwerkstoffe wurden hergestellt aus einem handelsüblichen Epoxidharz und 60 Vol.% Ver­stärkungsfasern aus Kohlenstoff (HTA 7 der Fa. TOHO) bzw. Siliciumcarbid (Nicalon der Fa. Nippon Carbon Co.), die mit SiC verschiedener Dicke beschichtet waren.
  • Die Eigenschaften wurden nach folgenden Methoden gemessen:

    Interlaminare Scherfestigkeit (ILSF): ASTM-D-2344-76
    Biegefestigkeit:      in Anlehnung an DIN 53 452
    Bruchdehnung:      in Anlehnung an DIN 53 452
    Figure imgb0002

Claims (10)

1. Kontinuierliches Verfahren zum gleichzeitigen Beschichten einer Vielzahl von einzelnen, zu einem Bündel zusammengefaßten Fasern mit einer Schicht aus Silicium, welches als Carbid, Oxid, Nitrid, Silicium-Kohlenstoff-Wasserstoff-Plasmapolymer oder in elementarer Form vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciumcarbid durch Ionenbeschuß von einer α-SiC-Kathode abgetragen und auf den Fasern niedergeschlagen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Silicium durch Ionenbeschuß von einer Si-Kathode abgetragen wird, in einem kohlen­wasserstoffhaltigen Edelgasplasma zu Siliciumcarbid oder einem Silicium-Kohlenstoff-Wasserstoff-Plasmapolymeren reagiert und als solches auf den Fasern niedergeschlagen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit zwei um 180° versetzte bzw. mit drei um 120°C versetzte Kathoden erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Faserbündel von Trägerspulen abgewickelt, durch das Plasma geführt und beschichtet werden und auf Aufnehmerspulen wieder aufgewickelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden­zerstäubung mit einer Frequenz von größer als 10 kHz, vorzugsweise von größer als 10 MHz, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden­zerstäubung in einem fokussierenden Magnetfeld erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern aus Kohlenstoff, Glas, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Bor, Stahl oder Polymeren beschichtet werden.
9. Verwendung der nach Anspruch 1 beschichteten Fasern zur Herstellung von Kunststoff-Verbundwerkstoffen.
10. Verwendung der nach Anspruch 1 beschichteten Fasern zur Verstärkung von keramischen oder metallischen Werkstoffen.
EP19880102328 1987-02-26 1988-02-18 Verfahren zum Aufbringen einer Silicium-Schicht auf Fasern Withdrawn EP0280184A3 (de)

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DE3706218 1987-02-26

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Publication Number Publication Date
EP0280184A2 true EP0280184A2 (de) 1988-08-31
EP0280184A3 EP0280184A3 (de) 1991-07-03

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US (1) US4971673A (de)
EP (1) EP0280184A3 (de)
JP (1) JPS63309672A (de)
DE (1) DE3706218A1 (de)

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