EP2178664A1 - Aluminium-based duplex-aluminium material with a first phase and a second phase and method for producing said duplex-aluminium material - Google Patents

Aluminium-based duplex-aluminium material with a first phase and a second phase and method for producing said duplex-aluminium material

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EP2178664A1
EP2178664A1 EP08784863A EP08784863A EP2178664A1 EP 2178664 A1 EP2178664 A1 EP 2178664A1 EP 08784863 A EP08784863 A EP 08784863A EP 08784863 A EP08784863 A EP 08784863A EP 2178664 A1 EP2178664 A1 EP 2178664A1
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EP
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aluminum
cnt
duplex
material according
material component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08784863A
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German (de)
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Inventor
Horst Adams
Michael Dvorak
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
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Publication date
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Definitions

  • CNT carbon nanotubes
  • CNT carbon nanotubes
  • the CNTs are fullerenes and are carbon modifications with closed polyhedral structure.
  • Known fields of application for CNTs are found in the field of semiconductors or for improving the mechanical properties of conventional plastics (www.de.wikipedia.org under "carbon nanotube”).
  • EP 0 411 577 discloses a hypereutectic aluminum alloy which is sprayed out of a first nozzle in the molten state by the ospray process, solid silicon particles or graphite particles, optionally as Si metal or graphite metal compound, also being sprayed from another nozzle without segregating them and which are thereby applied to a carrier device and solidify there to form a block of a duplex aluminum alloy.
  • DE 43 08 612 A1 discloses the production of an aluminum duplex alloy with boron contents, with good properties such as deformability, corrosion resistance and heat resistance, etc. The boron is, for example, by means of a powdery carrier material using an additional spray jet in the spray of the melt of the remaining alloying constituents or applied directly to the Sprühgutlini in a Sprühkompaktiervorraum.
  • Object of the present invention is to expand the field of application of CNT and to suggest new materials and moldings thereof.
  • the object is achieved by the invention by a duplex aluminum material of the aforementioned type and a method for producing a duplex aluminum material as a combination of two materials with different properties.
  • the invention is based on a duplex aluminum material based on aluminum with a first phase and a second phase according to the aforementioned type - A -
  • the second material component is formed in the form of an aluminum-based composite material comprising aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and a non-metal-containing material on the other hand, the first material component being compared to the second material component, respectively has separate material, higher ductility and / or lower tensile strength.
  • the non-metal is formed in the form of CNT. It has been shown in an advantageous manner that the spray-compacting process can preferably be carried out in the form of an ospray process.
  • the invention is based on the idea of combining two or more different alloys to form a so-called aluminum-duplex alloy.
  • an alloy preferably that with high ductility or also pure aluminum, e.g. melted in a crucible and sprayed through a nozzle.
  • the alloy with the high tensile strength is sprayed in powder form.
  • the step of spray compaction in the manufacturing process according to the concept of the invention may have different developments.
  • the step of spray compacting can be carried out with a single spray whose carrier substance is formed by the first material component, the second material component being sprayed in powder form into this spray jet.
  • the step of spray compacting can also be carried out with two different spray jets.
  • a first spray jet can be used for merely the first material component in the form of an aluminum-based alloy on a substrate to form a compact specimen, for example in the form of a bolt or billet or the like. to raise.
  • the second spray can be used in this development to deposit the second material component on the substrate.
  • the first spray jet would be used almost exclusively for introducing the first material component
  • the second spray jet is used almost exclusively for introducing the second material component.
  • the incorporation of the second material component takes place works similar to the previously genann ⁇ th training, namely in that in the formed of pure aluminum or an aluminum alloy support of the second spray, the alloy having the high tensile is sprayed in powder form. In this development, a powdered entry of the alloy with high tensile strength in the first spray is not provided.
  • the first spray jet can certainly also be used to deposit the second material component on the substrate by spraying the alloy with the high tensile strength in powder form into the first spray jet.
  • the amount of high tensile strength alloy sprayed in powder form into a first and / or second spray may be different.
  • the Ospray method it is now possible to deposit layer by layer on top of one another on the substrate so that over time a compact sample body is formed as a combination of the two different alloys.
  • the mixing ratio can be adjusted by varying the delivery rate of the sprayed powder.
  • Fig. 4 is a duplex aluminum structure.
  • the bright parts are the high-strength structural components with integrated CNT, the dark parts represent the soft structural components.
  • nanoparticles eg CNT reinforced aluminum alloys.
  • CNT nanoparticles
  • These alloys are opposite pure aluminum depending on the CNT concentration a much higher tensile strength (eg factor 5) but at the same time also depending on the CNT concentration a reduced ductility.
  • both material properties are also influenced by other process parameters, such as the material temperature during production. It is thus possible to set a range of possible tensile / ductility combinations for a specific aluminum alloy by varying these process parameters.
  • a particularly preferred first material component has, again in the present case as a separate material, a lower tensile strength than the second component and a higher maximum elongation - that is in particular the softer material component.
  • the second material component has a higher tensile strength and a lower maximum elongation, i. Ductility - in particular, is the harder material component.
  • This second material component has proven to be particularly easy to produce, in particular using CNT and is also particularly suitable in combination with the first material component for forming a duplex aluminum material.
  • the tensile strength of the first material component is less than 100 MPa and at the same time there is a maximum elongation of more than 15%.
  • at least one of the parameters, tensile strength or elongation may be within the stated limits.
  • a first material component has proven, in which a tensile strength is below 70 MPa and a maximum elongation is more than 20%.
  • only one of the parameters, tensile strength or elongation is within the limits mentioned.
  • the second material component may advantageously be provided with a tensile strength of more than 500 MPa and at the same time with a maximum elongation (ductility) of less than 3%.
  • at least one of the parameters, tensile strength or elongation may be within the stated limits.
  • a second material component has proven, in which a tensile strength is above 1000 MPa and a maximum elongation (ductility) of less than 1% is present.
  • only one of the parameters, tensile strength or elongation is within the limits mentioned.
  • the first material component is in the form of pure aluminum or in the form of an aluminum alloy, each with unavoidable impurities and / or additives.
  • the second material component has proven in a particularly preferred embodiment, especially in the form of a mixture, preferably intimate mixture of pure aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and CNT on the other hand.
  • the intimate mixture is preferably carried out in the form of a mixture formed by mechanical alloying. Particularly preferred mechanical alloying methods will be described in detail below.
  • first and / or the second material component according to the concept of the invention or a further development thereof can expediently have a further constituent, which can be chosen advantageously depending on the case of use.
  • Another component may in particular be a plastic and / or a polymer and / or a highly heat-resistant component. It has been found that highly heat-resistant constituents can be formed, for example, in the form of a graphite and / or silicon constituent. A SiC component and / or an Al 2 O 3 component has also proved to be particularly suitable.
  • the concept can be implemented by materials comprising at least one metal and / or at least one polymer, in particular layered layers, alternately with layers of CNT.
  • the second material component is advantageously present in granular form or in the form of particles, the particle size of 0.5 .mu.m to 2000 .mu.m, advantageously from 1 .mu.m to 1000 .mu.m.
  • the individual plies or layers of the metal or polymer may have a thickness of 10 nm to 500'0OO nm, preferably from 20 nm to 200 nm 1 OOO.
  • the thicknesses of the individual layers or plies of the CNT can range from 20 nm to 50 nm 1 OOO be from 10 nm to 100 nm 1 OOO advantageous.
  • Suitable metals are metals, such as iron and non-ferrous metals and precious metals.
  • Suitable ferrous metals are iron, cobalt and nickel, their alloys and steels.
  • the non-ferrous metals aluminum, magnesium and titanium etc. as well as their alloys can be enumerated.
  • metals may be mentioned vanadium, chromium, manganese, copper, zinc, tin, tantalum or tungsten and alloys thereof or the alloys brass and bronze. It is also possible to use rhodium, palladium, platinum, gold and silver.
  • the metals mentioned can be sorted or mixed with one another.
  • Aluminum and its alloys are preferred Trains t. In addition to pure aluminum, the alloys of aluminum are preferred.
  • the metal is used in granular or granular or powder form in the process according to the invention.
  • Typical grain sizes of the metals are from 5 .mu.m to 1000 .mu.m and suitably from 15 .mu.m to 1000 .mu.m.
  • Suitable polymers are thermoplastic, elastic or thermosetting polymers.
  • examples are polyolefins, such as polypropylene or polyethylene, cycloolefin copolymers, polyamides, such as the polyamides 6, 12, 66, 610 or 612, polyesters, such as polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, polystyrenes, polycarbonates, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, styrene-butadiene copolymers , Acrylonitrile-butadiene copolymers, polyurethanes, polyacrylates and copolymers, alkyd resins, epoxides, phenol-formaldehyde resins, urea-formaldehyde resins, etc.
  • the polymers are sorted or mixed with each other or in admixture with metal, granular or in granular or powder form in the present invention Method used.
  • Typical particle sizes of the polymers are from 5 .mu.m to 1000 .mu.m and suitably from 15 .mu.m to 1000 .mu.m.
  • the CNTs can be single-walled or multi-walled, such as double-walled.
  • the CNTs can be open or closed tubes.
  • the CNT may, for example, of 0.4 nm (nanometers) to 50nm in diameter and a length of 5 nm to 50 nm 1 OOO.
  • the CNTs may also be sponge-like structures, ie 2- or 3-dimensional frameworks, of mutually cross-linked carbon nanotubes.
  • the diameter of the individual tubes thereby moves in the above-mentioned range of, for example, 0.4 nm to 50 nm
  • Extent of the sponge structure ie the side lengths of a framework body of CNT, can be given by way of example with 10 nm to 50 1 000 nm, advantageously with I 1 000 nm to 50'0OO nm, in each of the dimensions.
  • the material according to the present invention may contain, for example, from 0.1 to 50% by weight, based on the material, of CNT. Suitably, amounts of 0.3 to 40 wt .-%, preferably from 0.5 to 20 wt .-% and in particular 1 to 10 wt .-% CNT contained in the material. If aluminum or an aluminum alloy is the metal of the material, the material may suitably contain 0.5 to 20% by weight of CNT, based on the material, with 3 to 17% by weight of CNT being preferred and 3 to 6% by weight. % CNT are particularly preferred.
  • the materials may consist of said metals and said CNT, they may consist of said metals, polymers and CNT, or may consist of the said polymers and CNT, or the above-mentioned materials may contain additional admixtures, for example functional admixtures.
  • Functional additives are, for example, carbon, soot, graphite and diamond modification, glasses, fibers of carbon, plastic fibers, inorganic fibers, glass fibers, silicates, ceramics, carbides or Nitri ⁇ de of aluminum or silicon, such as aluminum carbide, aluminum nitride, silicon carbide or silicon nitride, for example in fiber form, so-called whiskers.
  • the inventive duplex aluminum material can be produced by mechanical alloying (mechanical alloying) of the respective proportions of metal, polymer and CNT provided for the second material component.
  • Mechanical alloying can be carried out by repeated deformation, breaking and welding of powdery particles of the metal or polymer and the CNT.
  • particularly suitable for mechanical alloying are ball mills with high-energy ball collisions. A suitable energy input is achieved for example in ball mills whose grinding chamber has a cylindrical, preferably circular-cylindrical, cross-section and the grinding chamber, as a rule, is arranged in a horizontal position.
  • the cams may, for example, extend over 1/10 to 9/10, preferably 4/10 to 8/10, of the radius of the grinding chamber.
  • a rotary body which extends over the entire extent of the grinding chamber in the cylinder axis.
  • the rotary body is, as well as the grinding chamber, driven independently or synchronously, set by an external drive in motion.
  • the grinding chamber and the rotating body can rotate in the same direction or preferably in opposite directions.
  • the grinding chamber can be evacuated and the grinding process can be operated in a vacuum or the grinding chamber can be filled and operated with a protective or inert gas. Examples of Protective gases are, for example, N 2 , CO 2 , of inert gases He or Ar.
  • the grinding chamber and thus the ground material can be heated or cooled. Case by case can be cryogenically ground.
  • Typical is a grinding time of 10 hours and less.
  • the minimum grinding time is appropriately 15 min.
  • a milling time between 15 minutes and 5 hours is preferred.
  • Particularly preferred is a grinding time of 30 minutes to 3 hours, in particular up to 2 hours.
  • materials with a preferred distribution of the layers of metal or polymer and CNT can be produced.
  • the thickness of the individual layers can be changed.
  • the thickness of the CNT structure fed to the milling process can be used to control the thickness of the CNT layers in the milled material.
  • the thickness of the individual layers can be reduced and the respective position can be increased with respect to the expansion in the area. Due to the increasing expansion in the surface, for example, individual layers of CNT can touch each other up to two-dimensional continuous CNT layers or throughout in two dimensions touching CNT layers through a particle. This makes it possible to substantially maintain the excellent properties of the CNT, for example the thermal conductivity and the electrical conductivity of the CNT, on the one hand and the ductility of the metal or the elasticity of the polymer on the other hand in the second material component.
  • Further control of the properties of the second material component can be achieved by mixing two or more materials of different starting material and / or energy input during their production.
  • materials such as metal or plastic, free of CNT, and one or more CNT-containing materials may be mixed or mechanically alloyed, i. be ground.
  • the different materials occasionally with the materials, can be mixed or subjected to a second grinding or several grinding operations.
  • the second refining or subsequent refining may take a grinding time of 10 hours or less.
  • the minimum time of the second grinding is appropriate min.
  • a second grinding time is between 10 minutes and 5 hours.
  • Particularly preferred is a second grinding time of 15 minutes to 3 hours, in particular up to 2 hours.
  • a second material component high CNT content and a material lower CNT content or materials different energy input are processed in a second grinding process.
  • a CNT-containing material such as a CNT-containing metal, for example aluminum
  • a CNT-free metal for example, also aluminum
  • the mechanical alloying is carried out only to the extent that the resulting material is not completely homogenized, but the inherent properties of any material or material are retained and supplement the effects in the final material.
  • the second material component finds e.g. Use in shaped articles, including semi-finished products and layers produced by spray compacting, thermal spraying, plasma spraying, extrusion processes, sintering processes, pressure-controlled infiltration processes or compression molding.
  • the present second material component can therefore be processed, for example, by spray-compacting into shaped bodies.
  • a molten metal melt for example a steel, magnesium or preferably aluminum or an aluminum alloy
  • a spray head via a heated crucible, where it is atomized to form fine droplets and sprayed onto a substrate or base.
  • the initially still molten droplets cool during the flight from the atomizer to the lower substrate.
  • the particle flow hits there at high speed to the so-called To grow up deposit and thereby completely freeze and continue to cool.
  • the special phase transition "liquid-to-solid", which grows together to form a closed composite of materials, is used for the shaping process in the present case where the second material component containing the CNT is fed to the atomizing device in powder form
  • the process is such that the CNT-containing materials are not or only at the surface melted and no segregation occurs.
  • the particle flow of material and metal droplets impinges on the substrate at high speed on
  • solid bodies such as bolts
  • hollow bodies such as pipes or strips of material, such as sheets or profiles, can be produced as shaped bodies a mixture of metal with embedded CNT with the desired uniform arrangement of the constituents in the structure.
  • Spray processes are powdered materials in one
  • the CNT-containing second material component can alternatively or additionally be further processed by extrusion processes, sintering or die casting process to give moldings.
  • extrusion processes sintering or die casting process
  • a slow, in particular laminar, continuous mold filling at high metal pressures is desired.
  • composite materials can be produced by infiltration of porous fiber or particle shaped bodies by a liquefied metal.
  • the second material component from which the metals containing the CNT in a casting mold as a powdery matrix material, expediently becomes submitted. It is a metal whose melting point is lower than that of the material, for example, in aluminum-containing materials, a metal having a melt temperature of below 750 0 C, slowly pressed into the heated mold. The liquid metal penetrates the powdered matrix material under the applied pressure. Thereafter, the mold can be cooled and the molding removed from the mold. The process can also be carried out continuously.
  • the metal eg aluminum
  • the CNT can be incorporated.
  • a preheated metal in the thixotropic (partly liquid / partly solid) state, containing the CNT can be pressed into the casting mold.
  • coarsely mixed metal powders such as aluminum powder or aluminum having thixotropic properties, and CNT, the CNT in sponge form or as clusters having a diameter of, for example, up to 0.5 mm
  • coarsely mixed metal powders such as aluminum powder or aluminum having thixotropic properties, and CNT, the CNT in sponge form or as clusters having a diameter of, for example, up to 0.5 mm
  • Moldings for example rod-shaped moldings, batchwise or continuously, can be produced at low pressure using the pressure casting methods.
  • Aluminum with thixotropic properties is obtainable, for example, by melting aluminum or aluminum alloys and rapid cooling with constant stirring until solidification.
  • the two ⁇ te beam may be an identical with the first beam beam - in other words, the first component and the second component when needed can be supplied in common example of a spray nozzle to represent a single spray during spray.
  • a second beam separately formed by the first is used to supply the second material component to the first beam.
  • both or one of the jet may be formed as a spray jet.
  • the first and the second beam may be collinear or be provided as needed at a certain angle to each other.
  • the first material component is introduced in the molten state into the first jet.
  • the first material component for example by spraying through a nozzle as liquid droplets, can be introduced into the first jet.
  • the second material component can be introduced in a preferred manner in the powdery state in the second jet.
  • a particulate state of the second material component preferably as a nanoparticle, is suitable for this purpose.
  • Such and similar particles can be particularly preferably prepared according to one of the grinding methods described above.
  • the arrangement of a first and a separate second jet provided according to this further embodiment ensures, above all, the introduction of the second component, without a segregation of, for example, nanoparticles with an aluminum component. Matrix, can be done.
  • the sprayed particles are briefly melted in the hot cloud of, for example, liquid droplets of the first material component, homogeneously mixed and deposited after a comparatively short flight time together on a substrate where the material immediately solidifies in the form of duplex aluminum material.
  • the aluminum duplex materials and moldings show good thermal conductivity and electrical conductivity.
  • the temperature behavior of moldings of the materials according to the invention is outstanding.
  • the thermal expansion is low.
  • the creep strain improves.
  • CNT to the metals, such as aluminum
  • a substantial refinement of the grain structure to, for example, 0.6-0.7 Fm can be observed.
  • the addition of CNT to the metals can influence recrystallization of the metal, resp. prevent. Crack propagation can also be reduced or prevented by the CNT in the metal.
  • An inventive material is characterized in particular by a high heat resistance.
  • FIGS. 1 to 9 of the drawings are as follows:
  • Fig. 1 shows an illustrative scheme illustrating the possibility of a massive increase in the tensile strength of an aluminum-based composite with CNT compared to pure aluminum;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a spray compacting device for applying a Duplex aluminum material according to the concept of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic explanatory illustration of the flight phase of the first material component in FIG.
  • FIG. 4 shows an exemplary micrograph of a duplex aluminum microstructure in a particle of a second material component in the form of an Al / CNT composite with clearly recognizable CNT phases within the aluminum matrix;
  • Fig. 9 show the starting materials and finished material components viewed through a microscope, each at high magnification
  • Fig. 5 shows a mixture of aluminum particles and CNT agglomerates prior to mechanical alloying to form a preferred second material component in magnification.
  • the bright aluminum particles are denoted by (1).
  • Fig. 6 shows in enlargement a preferred second material component in powder or particle form after mechanical alloying. There are no visible CNTs. All CNTs are contained in the aluminum particles, which have been deformed, broken and welded many times;
  • Fig. 7 shows the section through a particle of a preferred second material component in the form of an Al / CNT composite. Within the particle of the material is a layer structure, resp. they are layers, recognizable. These are the layers or layers of mutually gray aluminum aluminum tinted in the picture and light / dark line-shaped deposits of CNT visible;
  • FIG 8 shows the section through another particle of a preferred second material component in the form of an Al / CNT composite.
  • a particle of the material Within a particle of the material is a layer structure, resp. they are layers, recognizable. These are the ones
  • FIG. 9 shows a sponge structure made of CNT, as it can be used, for example, for the production of presently inventive materials in an electron micrograph. Also can be used such a sponge structure, for example in the pressure casting process;
  • FIG. 10 schematically illustrates the fundamental processes of breaking, stacking and welding occurring during mechanical alloying, which in the case of high-frequency multiple repetition in the context of a high-energy milling process becomes a so-called
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a further embodiment of a spray compacting device for applying a duplex aluminum material according to the concept of the invention
  • Fig. 12 shows a volume fraction effect of hard and soft components in terms of tensile strength and elongation versus percent by volume of the hard material in percent of the finished duplex aluminum material;
  • Fig. 15 shows a typical plan view image from an electrostatic ⁇ nenmikroskopischen intake in a tensile test of a tie-rod produced from the inventive duplex aluminum material.
  • Example 1 is a comparative experiment with pure aluminum, without CNT.
  • the tensile strength and hardness each increased by about 400%.
  • the values can be controlled by the content of CNT in the material and the grinding process, such as the grinding time, for the production of the material.
  • the modulus of elasticity can increase by 80%.
  • the modulus of elasticity can be affected by the milling time during mechanical alloying in the production of the material and by the processing temperature in the extrusion process.
  • FIG. 1 shows a number of tensile strength / ductility curves relating to a second material component in the form of an intimate mixture of an Al / CNT composite compared to pure aluminum (Al + 0% CNT).
  • the tensile strength representing highest points of such curves are referred to herein as "stress / strain limit" and show that, for example, in the case of an aluminum-based composite with 8% CNT (Al + 8% CNT), the tensile strength of such a composite is almost a factor of 5 above the tensile strength of pure aluminum.
  • tensile strength values with lower CNT contents are achievable (eg Al + 6% CNT or Al + 4% CNT) in which composites it is also ensured that the ductility is nevertheless comparatively high.
  • Aluminum-based composites with a lower CNT content also have the advantage that an extrusion temperature is comparatively low.
  • FIG. 2 shows the diagram of a spray compacting apparatus 11, in which pure aluminum present in a crucible 12, for example, can be fed to a tundish 14 and then into a spray nozzle 15 atomizing the liquid to a first jet 16 with suitably selected droplets Be fed spray cone.
  • a present, not shown - usually collinear or slightly angled slightly - separate beam sprays powder particles of the second material component, present in the form of a pure aluminum / CNT composite in the spray cone of the first spray jet 6.
  • the cloud shown schematically in Fig. 3 from liquid pure aluminum droplets 17 and the composite of Al / CNT particles 18 in partially melted state 19 reach the substrate 21 with a suitable impact speed 20 and solidify there immediately to a sample body 22.
  • FIG. 4 A micrograph of a particle of a second material component in the form of an Al / CNT composite for producing such a sample is shown in FIG. 4. This clearly shows in the light areas the microstructure identify the CNT parts within the aluminum plates. Such high-strength structural components with integrated CNT are surrounded by dark-recognizable parts of a soft microstructure made of pure aluminum. Overall, this provides an aluminum duplex material which combines a first material component with comparatively high ductility and low tensile strength with a second material component with comparatively low ductility and high tensile strength as a phase mixture.
  • FIG. 10 illustrates the essential processes involved in a high energy milling process for mechanical alloying - namely welding, breaking and stacking - which ultimately lead to severe plastic deformation of the materials involved (severe plastic deformation).
  • the high energy milling method to a mixture of preferably harder aluminum alloy with CNT material, this results in a very strong solidification of the materials involved by grinding and as a result to a particularly preferred second (harder) material component according to the concept of the invention ,
  • the solidification takes place essentially according to the known HALL-PETCH relationship. This means that the smaller the diameter of the particles involved, the greater the maximum achievable tensile strength.
  • the maximum achievable tensile strength P should be inversely proportional to the root of the particle diameter involved, with the validity of the relationship starting in any case for particle diameters below 1 ⁇ m.
  • the high energy milling of aluminum materials such as pure aluminum or an aluminum alloy of relatively high hardness with CNT has not only the advantage illustrated in FIG. 10 that the CNT content is intimately incorporated into the aluminum material, but in addition there is the advantage that CNT serves as a grinding aid.
  • the proportion of hitherto customary grinding aids, such as stearic acid or the like can thereby be reduced. be reduced or eliminated altogether.
  • Fig. 11 shows - in a modification of a method shown schematically in Fig. 2 for producing a duplex aluminum material - schematically a manufacturing method in which two non-collinear spray jets 31, 32 are used for applying the first and second material components.
  • two powder injectors 41, 42 are used for the powdery introduction of the second material component into a carrier jet 31, 32 made of liquid aluminum droplets 17.
  • the angle between the first spray jet 31 and 32 - in this case by adjusting the second spray jet 32 - be changed.
  • the amount of powder for introduction into the first and second spray jet 31, 32 can be adjusted as needed.
  • the first spray jet 31 may be free of powder delivery, i. be fed only from aluminum material, such as pure aluminum or alloyed aluminum.
  • Fig. 14 illustrates the fine, inhomogeneous, but even distribution of harder second material component and softer first material component in a finished duplex aluminum material.
  • the hard phase of the duplex aluminum material can be seen in the bright areas.
  • the soft phase of the duplex aluminum material is visible in the dark areas.
  • FIG. 15 shows a typical crack pattern of a tensile layer shown in the upper part of FIG. 15 in the lower enlarged area.
  • CNT-I and CNT-2 CNTs of different lengths embedded clearly in the aluminum material can be seen.
  • the invention provides the processing of a composite material in particle or powder form, containing carbon nanotubes (CNT), wherein in the material, for example, a metal in layers in a thickness of 10 nm to 500 1 000 nm alternately with layers of CNT in a Thickness of 10 nm to 100 1 000 nm layered.
  • the material is produced by mechanical alloying, ie by repeated deformation, breaking and welding of metal particles and CNT particles, preferably by ball milling, containing a grinding chamber and grinding balls as grinding media and a rotating body for generating high-energy ball collisions.
  • a method is described in which a material of the composite material and an aluminum alloy with different properties are alloyed in a single ospray process.

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Abstract

The invention relates to the processing of a composite material in particle or powder form, containing carbon nanotubes (CNT), said material having metal with a thickness of between 10 nm and 500,000 nm that is layered alternately with carbon nanotubes of a thickness of between 10 nm and 100,000 nm. The material is produced by mechanical alloying, i.e. by repeated deformation, breakage and welding of metal particles and CNT particles, preferably by milling in a pebble mill containing a milling chamber and milling pebbles as the milling bodies and to a rotating body for creating highly energetic pebble collisions. The invention discloses a method for producing duplex-aluminium, in which a material is alloyed as a combination of the composite material and an aluminium alloy with different characteristics in an Ospray process.

Description

Duplex-Aluminium-Werkstoff auf Basis von Aluminium mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase und Verfahren zur Herstellung des Duplex-Aluminium-Werkstoffs Duplex aluminum material based on aluminum with a first phase and a second phase and method for producing the duplex aluminum material
Die Erfindung betrifft einen Duplex-Aluminium-Werkstoff auf Basis von Aluminium mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase, der in einem Sprühkompaktierverfahren hergestellt ist, mit einer wenigstens über einen ersten Strahl eingebrachten ersten Werkstoffkomponente in Form einer aluminiumbasierten Legierung zur Bildung der ersten Phase und wenigstens einer über einen zweiten Strahl eingebrachten zweiten Werkstoffkomponente zur Bildung der zweiten Phase. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Duplex-Aluminium-Werkstoffs .The invention relates to a duplex aluminum material based on aluminum having a first phase and a second phase, which is produced in a Sprühkompaktierverfahren, with at least introduced via a first beam first material component in the form of an aluminum-based alloy to form the first phase and at least one introduced via a second beam second material component to form the second phase. Furthermore, the invention relates to a method for producing the duplex aluminum material.
Es sind Kohlenstoffnanoröhrchen bekannt. Weitere äquivalente Begriffe für Kohlenstoffnanoröhrchen sind nanoskalige Kohlenstoffröhrchen oder Carbon Nano Tubes und die Kurzbe- Zeichnung .,,CNT". Nachfolgend wird die in der Fachwelt gebräuchlichste Form, nämlich „CNT" weiterverwendet. Die CNT stellen Fullerene dar und sind Kohlenstoffmodifikationen mit geschlossener polyedrischer Struktur. Bekannte Anwendungsgebiete für CNT sind im Bereich der Halbleiter zu fin- den oder zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von herkömmlichen Kunststoffen (www.de.wikipedia.org unter „Kohlenstoffnanoröhre") .There are known carbon nanotubes. Further equivalent terms for carbon nanotubes are nanoscale carbon tubes or carbon nanotubes and the abbreviated designation "CNT." In the following, the most commonly used form in the art, namely "CNT", will continue to be used. The CNTs are fullerenes and are carbon modifications with closed polyhedral structure. Known fields of application for CNTs are found in the field of semiconductors or for improving the mechanical properties of conventional plastics (www.de.wikipedia.org under "carbon nanotube").
Darüber hinaus sind Al/CNT-Komposits bekannt aus ESAWI A ET AL: „Dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in aluminum pow- der" COMPOS PART A APPL SCI MANUF; COMPOSITES PART A: APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING FEBRUARY 2007, [Online] Bd. 38, Nr. 2, 23. Juni 2006 (2006-06-23), Seiten 646-650 und EDTMAIER C ET AL: "Aluminium based carbon nanotube compos- ites by mechanical alloying" POWDER METALLURGY WORLD CON- GRESS & EXHIBITION (PM2004) 17-21 OCT. 2004 VIENNA, AUS- TRIA, 17. Oktober 2004 (2004-10-17), -21. Oktober 2004 (2004-10-21) Seite 6 pp. und GEORGE ET AL: „Strengthening in carbon nanotube/aluminium (CNT/Al) composites" SCRIPTA MATERIALIA, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, Bd. 53, Nr. 10, November 2005 (2005-11), Seiten 1159-1163 und CARRENO-MORELLI E ET AL: „Carbon nanotube/magnesium composites" PHYS STATUS SOLIDI A; PHYSICA STATUS SOLIDI (A) APPLIED RESEARCH JUNE 2004, Bd. 201, Nr. 8, Juni 2004 (2004-06), Seiten R53-R55 und C. EDTMAIER: „Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit Carbon Nanotubes als hochfeste und hochwärmeleitende Einlagerungsphase" [Online] 3. Juni 2005 (2005-06-03), XPOO2413867 gefunden im Internet:In addition, Al / CNT composites are known from ESAWI A ET AL: "Dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in aluminum powders" COMPOS PART A APPL SCI MANUF; COMPOSITES PART A: APPLIED SCIENCE AND MANUFACTURING FEBRUARY 2007, [Online] Vol. 38, No. 2, June 23, 2006 (2006-06-23), pages 646-650 and EDTMAIER C ET AL: "Aluminum-based carbon nanotube composites by mechanical alloying" POWDER METALLURGY WORLD CONGRESS & EXHIBITION (PM2004) 17-21 OCT 2004 VIENNA, AUSTRIA, October 17, 2004 (2004-10-17 ), -21. October 2004 (2004-10-21) page 6 pp. and GEORGE ET AL: "Strengthening in carbon nanotube / aluminum (CNT / Al) composites" SCRIPTA MATERIALIA, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, Vol. 53, No. 10, November 2005 (2005-11), pages 1159-1163 and CARRENO -MORELLI E ET AL: "Carbon nanotube / magnesium composites" PHYS STATUS SOLIDI A; PHYSICA STATUS SOLIDI (A) APPLIED RESEARCH JUNE 2004, Vol. 201, No. 8, June 2004 (2004-06), pages R53-R55 and C. EDTMAIER: "Metal-matrix composites with carbon nanotubes as a high-strength and high-heat storage phase "[Online] June 3, 2005 (2005-06-03), found on the Internet: XPOO2413867
URL:http: //www. ipp.mpg. de/de/for/bereiche/material/seminare /MFSem/talks/Edtmaier_03-06-2005.pdf> [gefunden am 2007-01- 09] sowie THOSTENSON ET AL: „Nanocomposites in contect" COMPOSITIES SCIENCE AND TECHNOLOGY, Bd. 65, 2005, Seiten 491-516.URL: http: // www. ipp.mpg. de / en / for / areas / material / seminars / MFSem / talks / Edtmaier_03-06-2005.pdf> [found on 2007-01-09] and THOSTENSON ET AL: "Nanocomposites in Contect" COMPOSITIES SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 65, 2005, pages 491-516.
Aufbringverfahren von Aluminium enthaltenden Legierungen sind offenbart u.a. als Ospray-Prozess . EP 0 411 577 offenbart eine übereutektische Aluminium-Legierung, die im Ospray-Verfahren im geschmolzenen Zustand aus einer ersten Düse ausgesprüht wird, wobei zugleich aus einer weiteren Düse feste Siliziumteilchen oder Graphitteilchen, ggfs als Si-Metall oder Graphit-Metall-Verbindung, ausgesprüht werden, ohne dass diese entmischen und die dadurch auf eine Trägervorrichtung aufgebracht werden und dort zu einem Block einer Duplex-Aluminium-Legierung erstarren. DE 43 08 612 Al offenbart die Herstellung einer Aluminium- Duplex Legierung mit Bor-Anteilen, mit guten Eigenschaften wie Verformbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Warmfestigkeit etc. Das Bor wird z.B. mittels eines pulverförmigen Trägermaterials unter Verwendung eines zusätzlichen Sprühstrahls in den Sprühstrahl der Schmelze der restlichen Legierungsbestandteile oder direkt auf den Sprühgutträger in einer Sprühkompaktiervorrichtung aufgebracht.Application methods of aluminum-containing alloys are disclosed, inter alia, as an Ospray process. EP 0 411 577 discloses a hypereutectic aluminum alloy which is sprayed out of a first nozzle in the molten state by the ospray process, solid silicon particles or graphite particles, optionally as Si metal or graphite metal compound, also being sprayed from another nozzle without segregating them and which are thereby applied to a carrier device and solidify there to form a block of a duplex aluminum alloy. DE 43 08 612 A1 discloses the production of an aluminum duplex alloy with boron contents, with good properties such as deformability, corrosion resistance and heat resistance, etc. The boron is, for example, by means of a powdery carrier material using an additional spray jet in the spray of the melt of the remaining alloying constituents or applied directly to the Sprühgutträger in a Sprühkompaktiervorrichtung.
DE 100 47 775 Cl offenbart die Möglichkeit der Herstellung einer Kupfer-Aluminium-Mehrstoffbronze in einem Ospray Pro- zess.DE 100 47 775 C1 discloses the possibility of producing a copper-aluminum multi-substance bronze in an Ospray process.
DE 103 06 919 Al offenbart die Herstellung eines Verbund- Stoffes mit intermetallischen Phasen im Rahmen einer Sprüh- kompaktierung auf Basis eines Lichtbogen-Draht- Spritzverfahrens mit einem oder mehreren Metallmassivdrähten und mindestens einem Composit-Draht aufweisend eine Keramik.DE 103 06 919 A1 discloses the production of a composite material with intermetallic phases in the context of a spray compacting based on an arc-wire spraying process with one or more metal solid wires and at least one composite wire comprising a ceramic.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Einsatzbereich der CNT zu erweitern und neue Werkstoffe sowie Formkörper daraus, vorzuschlagen.Object of the present invention is to expand the field of application of CNT and to suggest new materials and moldings thereof.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst durch einen Duplex-Aluminium-Werkstoff der eingangs genannten Art und ein Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Materials als Kombination zweier Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften.The object is achieved by the invention by a duplex aluminum material of the aforementioned type and a method for producing a duplex aluminum material as a combination of two materials with different properties.
Die Erfindung geht dazu aus von einem Duplex-Aluminium- Werkstoff auf Basis von Aluminium mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase gemäß der eingangs genannten Art - A -The invention is based on a duplex aluminum material based on aluminum with a first phase and a second phase according to the aforementioned type - A -
und sieht dabei erfindungsgemäß vor, dass die zweite Werkstoffkomponente in Form eines aluminiumbasierten Kompositwerkstoffs, aufweisend Aluminium und/oder eine aluminiumbasierte Legierung einerseits und einen einen Nicht-Metall enthaltenden Werkstoff andererseits, gebildet ist, wobei die erste Werkstoffkomponente im Vergleich zur zweiten Werkstoffkomponente, jeweils als separater Werkstoff, eine höhere Duktilität und/oder niedrigere Zugfestigkeit aufweist .According to the invention, the second material component is formed in the form of an aluminum-based composite material comprising aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and a non-metal-containing material on the other hand, the first material component being compared to the second material component, respectively has separate material, higher ductility and / or lower tensile strength.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens wird die Aufgabe durch die Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung des Duplex-Aluminium-Werkstoffs aufweisend die Schritte:With regard to the manufacturing method, the object is achieved by the invention by a method for producing the duplex aluminum material, comprising the steps:
- Verarbeiten von Anteilen von Aluminium und/oder einer aluminiumbasierten Legierung und ein Nicht-Metall jeweils in Form von Granulaten, Partikeln, Fasern und/oder Pulvern durch mechanisches Legieren, um die zweite Werkstoffkomponente in Form eines aluminiumbasierten Composit-Werkstoffs, aufweisend Aluminium und/oder eine aluminiumbasierte Legierung einerseits und einen einen Nicht-Metall enthaltenden Werkstoff andererseits zur Verfügung zu stellen;Processing of proportions of aluminum and / or an aluminum-based alloy and a non-metal in the form of granules, particles, fibers and / or powders by mechanical alloying to form the second material component in the form of an aluminum-based composite material comprising aluminum and / or or to provide an aluminum-based alloy on the one hand and a non-metal-containing material on the other hand;
- Sprühkompaktieren des Duplex-Aluminium-Werkstoffs auf Basis von Aluminium mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase; durch:Spray compacting the duplex aluminum material based on aluminum with a first phase and a second phase; by:
- Einbringen einer ersten Werkstoffkomponente in Form einer aluminiumbasierten Legierung zur Bildung der ersten Phase in wenigstens einem ersten Strahl; - Einbringen der zweiten Werkstoffgruppe der zur Bildung der zweiten Phase in wenigstens einem zweiten Strahl; wobei die erste Werkstoffkomponente im Vergleich zur zweiten Werkstoffkomponente, jeweils als separater Werkstoff, eine höhere Duktilität und/oder niedrigere Zugfestigkeit aufweist. In einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Nicht- Metall in Form von CNT gebildet. Es hat sich in vorteilhafter Weise gezeigt, dass das Sprühkompaktierver- fahren vorzugsweise in Form eines Ospray-Prozesses ausführbar ist.- introducing a first material component in the form of an aluminum-based alloy to form the first phase in at least a first beam; - introducing the second group of materials for forming the second phase in at least one second jet; wherein the first material component compared to the second material component, each as a separate material, has a higher ductility and / or lower tensile strength. In a most preferred embodiment of the invention, the non-metal is formed in the form of CNT. It has been shown in an advantageous manner that the spray-compacting process can preferably be carried out in the form of an ospray process.
Eine Duktilität bzw. eine Zugfestigkeit einer Werkstoffkomponente ist jeweils auf die als separater Werkstoff vorlie- gende Werkstoffkomponente zu beziehen. Mit anderen Worten, wird beispielsweise eine Duktilität eines ersten Werkstoff in Form von Reinaluminium mit einer Duktilität eines zweiten Werkstoffs in Form eines Aluminium-CNT-Composits verglichen. In besonders bevorzugter Weise weist die zweite Werkstoffkomponente im Vergleich zur ersten Werkstoffkomponente, wiederum als separater Werkstoff, eine niedrigere Duktilität und/oder höhere Zugfestigkeit auf.A ductility or tensile strength of a material component is in each case related to the material component present as a separate material. In other words, for example, a ductility of a first material in the form of pure aluminum is compared with a ductility of a second material in the form of an aluminum-CNT composite. In a particularly preferred manner, the second material component compared to the first material component, again as a separate material, a lower ductility and / or higher tensile strength.
Duplex-Aluminium besteht aus zwei verschiedenen Gefüge- Arten: Im Duplex-Aluminium werden zwei im Wesentlichen einphasige aluminiumbasierte Werkstoffe, vorzugsweise zu ungefähr gleichen Teilen vereint, um ihre jeweils positiven Materialeigenschaften auszunutzen. Gemeint sind mechanischtechnologische Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Zähigkeit und Härte, aber auch korrosionschemische Eigenschaften, also Rostbeständigkeit. Duplex-Aluminium kann sich z.B. durch hohe Korrosionsbeständigkeit, vor allem gegenüber Loch- und Spannungsrisskorrosion und hohe Festigkeitskennwerte sowie erhöhte Wärmfestigkeit auszeichnen.Duplex aluminum consists of two different types of structure: In duplex aluminum, two essentially single-phase aluminum-based materials are combined, preferably in approximately equal parts, in order to exploit their respective positive material properties. What is meant are mechanical technological properties such as tensile strength, toughness and hardness, but also corrosion-chemical properties, ie rust resistance. Duplex aluminum can be distinguished, for example, by high corrosion resistance, in particular against perforation and stress corrosion cracking and high strength characteristics, as well as increased heat resistance.
Basierend auf diesem Konzept stellt die Erfindung geeignete Duplex-Aluminium-Werkstoffe zur Verfügung.Based on this concept, the invention provides suitable duplex aluminum materials.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, zwei oder mehr unterschiedliche Legierungen zu einer sogenannten Alumini- um-Duplex-Legierung zu kombinieren. So ist es Aufgabe dieser Erfindung, eine Legierung mit einer sehr hohen Zugfestigkeit aber geringen Duktilität mit einer anderen Legierung mit einer niedrigen Zugfestigkeit aber hohen Duktili- tat zu kombinieren.The invention is based on the idea of combining two or more different alloys to form a so-called aluminum-duplex alloy. Thus, it is an object of this invention to combine an alloy with a very high tensile strength but low ductility with another alloy having a low tensile strength but high ductility.
In einer bevorzugten Weiterbildung kann - ähnlich dem Ospray-Verfahren - die eine Legierung, vorzugsweise diejenige mit hoher Duktilität oder auch reines Aluminium, z.B. in einem Tiegel geschmolzen und durch eine Düse versprüht werden. In diesem Sprühstrahl aus flüssigen Aluminiumtröpfchen wird die Legierung mit der hohen Zugfestigkeit pulver- förmig eingesprüht. Dies hat den Vorteil, dass hier auch mit Nanopartikeln verstärkte Legierungen pulverförmig ein- gesprüht werden können, ohne dass eine Entmischung der Na- nopartikel aus der Aluminium-Matrix erfolgt.In a preferred development, similar to the Ospray method, an alloy, preferably that with high ductility or also pure aluminum, e.g. melted in a crucible and sprayed through a nozzle. In this jet of molten aluminum droplets, the alloy with the high tensile strength is sprayed in powder form. This has the advantage that it is also possible to spray alloys reinforced with nanoparticles into powder form without demixing the nanoparticles from the aluminum matrix.
Die eingesprühten Partikel werden dann vorteilhaft in der heißen Wolke aus flüssigen Tröpfchen auch kurzzeitig aufge- schmolzen, homogen durchmischt und nach sehr kurzer Flugzeit gemeinsam auf einem Substrat abgeschieden, wo das Material sofort erstarrt (rapid solidification) . Dabei ist die Flugzeit in der flüssigen Phase für die eingesprühten Pulverpartikel zweckmäßigerweise so kurz, dass keine Entmischung der Nanopartikel aus dem umgebenden Aluminium auftritt.The sprayed-in particles are then advantageously melted for a short time in the hot cloud of liquid droplets, homogeneously mixed and, after a very short time of flight, deposited together on a substrate where the material solidifies immediately (rapid solidification). The time of flight is in the liquid phase for the sprayed Powder particles expediently so short that no segregation of the nanoparticles from the surrounding aluminum occurs.
Es ist zu verstehen, dass der Schritt des Sprühkompaktie- rens im Herstellungsverfahren gemäß dem Konzept der Erfindung unterschiedliche Weiterbildungen haben kann. So kann - dies mit beispielhaftem Hinweis auf Fig. 2 der Detailbeschreibung - beispielsweise der Schritt des Sprühkompaktie- rens mit einem einzigen Sprühstrahl durchgeführt werden, dessen Trägersubstanz von der ersten Werkstoffkomponente gebildet ist, wobei in diesen Sprühstrahl die zweite Werkstoffkomponente pulverförmig eingesprüht wird. In einer Abwandlung - dies mit beispielhaftem Hinweis auf Fig. 11 - kann der Schritt des Sprühkompaktierens auch ausgeführt werden mit zwei unterschiedlichen Sprühstrahlen. So kann in einer weiteren Weiterbildung ein erster Sprühstrahl dazu verwendet werden lediglich die erste Werkstoffkomponente in Form einer Aluminium-basierten Legierung auf einem Substrat zur Bildung eines kompakten Probenkörpers, z.B. in Form eines Bolzens oder Billets o. dgl . , aufzubringen. Kolinear oder in einem Winkel dazu kann in dieser Weiterbildung der zweite Sprühstrahl dazu verwendet, die zweite Werkstoffkomponente auf dem Substrat abzuscheiden. Bei der vorgenannten weiteren Weiterbildung würde also der erste Sprühstrahl praktisch ausschließlich zur Einbringung der ersten Werkstoffkomponente dienen, während der zweite Sprühstrahl praktisch ausschließlich zur Einbringung der zweiten Werkstoffkomponente dient. Die Einbringung der zweiten Werk- stoffkomponente erfolgt dabei ähnlich in der zuvor genann¬ ten Weiterbildung, nämlich indem in den aus reinen Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildeten Träger des zweiten Sprühstrahls die Legierung mit der hohen Zugfestig- keit pulverförmig eingesprüht wird. Bei dieser Weiterbildung ist ein pulverförmiger Eintrag der Legierung mit hoher Zugfestigkeit in dem ersten Sprühstrahl nicht vorgesehen.It is to be understood that the step of spray compaction in the manufacturing process according to the concept of the invention may have different developments. For example, with the aid of an example reference to FIG. 2 of the detailed description, the step of spray compacting can be carried out with a single spray whose carrier substance is formed by the first material component, the second material component being sprayed in powder form into this spray jet. In a modification - with exemplary reference to FIG. 11 - the step of spray compacting can also be carried out with two different spray jets. Thus, in a further development, a first spray jet can be used for merely the first material component in the form of an aluminum-based alloy on a substrate to form a compact specimen, for example in the form of a bolt or billet or the like. to raise. Colinear or at an angle to this, the second spray can be used in this development to deposit the second material component on the substrate. In the aforementioned further development, therefore, the first spray jet would be used almost exclusively for introducing the first material component, while the second spray jet is used almost exclusively for introducing the second material component. The incorporation of the second material component takes place works similar to the previously genann ¬ th training, namely in that in the formed of pure aluminum or an aluminum alloy support of the second spray, the alloy having the high tensile is sprayed in powder form. In this development, a powdered entry of the alloy with high tensile strength in the first spray is not provided.
In einer weiteren Weiterbildung kann durchaus auch der erste Sprühstrahl dazu benutzt werden, die zweite Werkstoffkomponente auf dem Substrat abzuscheiden, indem auch in den ersten Sprühstrahl die Legierung mit der hohen Zugfestigkeit pulverförmig eingesprüht wird. Gegebenenfalls kann die Menge der pulverförmig in einen ersten und/oder zweiten Sprühstrahl eingesprühten Legierung mit der hohen Zugfestigkeit unterschiedlich sein.In a further development, the first spray jet can certainly also be used to deposit the second material component on the substrate by spraying the alloy with the high tensile strength in powder form into the first spray jet. Optionally, the amount of high tensile strength alloy sprayed in powder form into a first and / or second spray may be different.
Welche der zuvor genannten Weiterbildungen sich im Einzel- nen als zweckmäßig erweist, kann bedarfmäßig je nach angestrebtem erfindungsgemäßem Werkstoff eingestellt werden.Which of the aforementioned refinements proves to be expedient in individual cases can be adjusted according to the desired material according to the invention.
Vorzugsweise, ähnlich wie im Ospray-Verfahren, kann nun Schicht um Schicht übereinander auf dem Substrat abgeschie- den werden, so dass mit der Zeit ein kompakter Probenkörper entsteht als Kombination aus den beiden unterschiedlichen Legierungen. Das Mischungsverhältnis kann dabei durch Variation der Fördermenge des eingesprühten Pulvers eingestellt werden.Preferably, similar to the Ospray method, it is now possible to deposit layer by layer on top of one another on the substrate so that over time a compact sample body is formed as a combination of the two different alloys. The mixing ratio can be adjusted by varying the delivery rate of the sprayed powder.
Das Ergebnis ist ein Material mit hoher Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität. So zeigt z.B. Fig. 4 ein Duplex-Aluminium-Gefüge . Die hellen Teile sind die hochfesten Gefügebestandteile mit integrierten CNT, die dunklen Teile repräsentieren die weichen Gefügebestandteile.The result is a material with high tensile strength combined with high ductility. Thus, e.g. Fig. 4 is a duplex aluminum structure. The bright parts are the high-strength structural components with integrated CNT, the dark parts represent the soft structural components.
Im Folgenden werden Methoden beschrieben, insbesondere zur Herstellung von durch Nanopartikel (z.B. CNT) verstärkten, Aluminium-Legierungen. Diese Legierungen besitzen gegenüber reinem Aluminium in Abhängigkeit von der CNT-Konzentration eine wesentlich höhere Zugfestigkeit (z.B. Faktor 5) aber gleichzeitig ebenfalls in Abhängigkeit von der CNT- Konzentration eine reduzierte Duktilität. Neben dem CNT- Gehalt werden beide Materialeigenschaften auch durch andere Prozessparameter, wie z.B. die Materialtemperatur bei der Herstellung beeinflusst. So ist es möglich, für eine spezielle Aluminium-Legierung durch Variation dieser Prozessparameter einen Bereich von möglichen Zugfestig- keits/Duktilitäts-Kombinationen einzustellen.In the following, methods are described, in particular for the production of nanoparticles (eg CNT) reinforced aluminum alloys. These alloys are opposite pure aluminum depending on the CNT concentration a much higher tensile strength (eg factor 5) but at the same time also depending on the CNT concentration a reduced ductility. In addition to the CNT content, both material properties are also influenced by other process parameters, such as the material temperature during production. It is thus possible to set a range of possible tensile / ductility combinations for a specific aluminum alloy by varying these process parameters.
Weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläutere Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren. Eine besonders bevorzugte erste Werkstoffkomponente weist, wiederum vorliegend als separater Werkstoff, eine geringere Zugfestigkeit als die zweite Komponente und eine höhere maximale Elongation auf - ist also insbesondere die weichere Werkstoffkomponente . Die zweite Werkstoffkomponente weist in besonders bevorzugter Weise, wiederum angegeben für einen separat vorliegenden Werkstoff, eine höhere Zugfestigkeit und eine geringere maximale Elongation, d.h. Duktilität auf - ist also insbeson- dere die härtere Werkstoffkomponente . Diese zweite Werkstoffkomponente hat sich als besonders leicht, insbesondere unter Verwendung von CNT herstellbar erwiesen und eignet sich darüber hinaus in besonderer Weise in Kombination mit der ersten Werkstoffkomponente zur Bildung eines Duplex- Aluminium-Werkstoffs.Further advantageous development of the invention can be found in the dependent claims and specify in particular advantageous ways to realize the above-described concept in the context of the task and in terms of further advantages. A particularly preferred first material component has, again in the present case as a separate material, a lower tensile strength than the second component and a higher maximum elongation - that is in particular the softer material component. In a particularly preferred manner, again indicated for a separately present material, the second material component has a higher tensile strength and a lower maximum elongation, i. Ductility - in particular, is the harder material component. This second material component has proven to be particularly easy to produce, in particular using CNT and is also particularly suitable in combination with the first material component for forming a duplex aluminum material.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Zugfestigkeit der ersten Werkstoffkomponente geringer als 100 MPa ist und gleichzeitig eine maximale Elongation von mehr als 15 % vorliegt. In einer Abwandlung kann wenigstens einer der Parameter, Zugfestigkeit oder Elongation, in den genannten Grenzen liegen. Als ganz besonders bevorzugt hat sich eine erste Werkstoffkomponente erwiesen, bei welcher eine Zugfestigkeit unterhalb von 70 MPa liegt und eine maximale Elongation mehr als 20 % beträgt. In einer Abwandlung der zuletzt genannten Weiterbildung ist lediglich einer der Parameter, Zugfestigkeit oder Elgongation, inner- halb der genannten Grenzen.It has proved to be particularly advantageous that the tensile strength of the first material component is less than 100 MPa and at the same time there is a maximum elongation of more than 15%. In a modification, at least one of the parameters, tensile strength or elongation may be within the stated limits. As a very particularly preferred, a first material component has proven, in which a tensile strength is below 70 MPa and a maximum elongation is more than 20%. In a modification of the last-mentioned further development, only one of the parameters, tensile strength or elongation, is within the limits mentioned.
Die zweite Werkstoffkomponente kann vorteilhaft mit einer Zugfestigkeit von mehr als 500 MPa und gleichzeitig mit einer maximalen Elongation (Duktilität) von weniger als 3 % vorgesehen sein. In einer Abwandlung kann wenigstens einer der Parameter, Zugfestigkeit oder Elongation, in den genannten Grenzen liegen. Als ganz besonders bevorzugt hat sich eine zweite Werkstoffkomponente erwiesen, bei welcher eine Zugfestigkeit oberhalb von 1000 MPa liegt und eine ma- ximale Elongation (Duktilität) von weniger als 1 % vorliegt. In einer Abwandlung der zuletzt genannten Weiterbildung ist lediglich einer der Parameter, Zugfestigkeit oder Elongation, innerhalb der genannten Grenzen.The second material component may advantageously be provided with a tensile strength of more than 500 MPa and at the same time with a maximum elongation (ductility) of less than 3%. In a modification, at least one of the parameters, tensile strength or elongation may be within the stated limits. As a very particularly preferred, a second material component has proven, in which a tensile strength is above 1000 MPa and a maximum elongation (ductility) of less than 1% is present. In a modification of the last-mentioned further development, only one of the parameters, tensile strength or elongation, is within the limits mentioned.
Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass bei der zweiten Werkstoffkomponente - ausgehend von einer üblichen Aluminiumlegierung oder ausgehend von üblichem Reinaluminium - ein Aluminiumwerkstoff verwendet wird, der einen CNT-Gehalt derart aufweist, dass eine Abnahme einer maximalen Elongation im Vergleich zum Aluminiumwerkstoff ohne CNT-Gehalt unterhalb von 30 %, vorteilhaft unterhalb von 10 %, liegt. Solche mit beschränkt abgenommener Elongation versehene Aluminium-Werkstoffe haben sich als beson- ders bevorzugt für die zweite Werkstoffkomponente erwiesen. Hinsichtlich der Ausbildung der zweiten Werkstoffkomponente wird auf Fig. 13 der Detailbeschreibung hingewiesen.In addition, it has proven to be advantageous that the second material component - starting from a conventional aluminum alloy or starting from conventional pure aluminum - an aluminum material is used, which has a CNT content such that a decrease in a maximum elongation compared to the aluminum material without CNT content below 30%, advantageously below 10%. Such aluminum materials provided with limited elongation have proven to be particularly ders preferred proven for the second material component. With regard to the construction of the second material component, reference is made to FIG. 13 of the detailed description.
Hinsichtlich der weiteren Zusammensetzung von erster und zweiter Werkstoffkomponente zur Bildung eines Duplex- Werkstoffs wird auf Fig. 12 der Detailbeschreibung hingewiesen. Je geringer der Anteil der (härteren) zweiten Werkstoffkomponente im Duplex-Aluminiumwerkstoff ist, umso fle- xibler und weicher erweist sich dieser. Je geringer der Anteil an (weicherer) erster Werkstoffkomponente am Duplex- Aluminiumwerkstoff ist, desto unflexibler und härter ist dieser.With regard to the further composition of the first and second material components to form a duplex material, reference is made to FIG. 12 of the detailed description. The smaller the proportion of the (harder) second material component in the duplex aluminum material, the more flexible and softer it proves to be. The smaller the proportion of (softer) first material component on the duplex aluminum material, the more inflexible and harder it is.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist die erste Werkstoffkomponente in Form von reinem Aluminium oder in Form einer Aluminium-Legierung, jeweils mit unvermeidlichen Verunreinigungen und/oder Zusätzen, gebildet. Die zweite Werkstoffkomponente hat sich in einer besonders bevorzugten Weiterbildung vor allem in Form eines Gemisches, vorzugsweise innigen Gemisches, aus reinem Aluminium und/oder einer aluminiumbasierten Legierung einerseits und CNT andererseits erwiesen. Die innige Mischung wird vorzugsweise in Form eines durch mechanisches Legieren gebildeten Gemisches ausgeführt. Besonders bevorzugte mechanische Legierungsverfahren werden im Einzelnen weiter unten beschrieben.In a particularly preferred embodiment, the first material component is in the form of pure aluminum or in the form of an aluminum alloy, each with unavoidable impurities and / or additives. The second material component has proven in a particularly preferred embodiment, especially in the form of a mixture, preferably intimate mixture of pure aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and CNT on the other hand. The intimate mixture is preferably carried out in the form of a mixture formed by mechanical alloying. Particularly preferred mechanical alloying methods will be described in detail below.
Die erste und/oder die zweite Werkstoffkomponente gemäß dem Konzept der Erfindung oder einer Weiterbildung davon kann darüber hinaus zweckmäßigerweise einen weiteren Bestandteil aufweisen, welcher je nach Verwendungsfall in vorteilhafter Weise gewählt werden kann. Ein weiterer Bestandteil kann insbesondere ein Kunststoff und/oder ein Polymer und/oder ein hochhitzebeständiger Bestandteil sein. Es hat sich gezeigt, dass hochhitzebeständige Bestandteile beispielsweise in Form eines Graphit- und/oder Siliziumbestandteils gebildet sein kann. Als besonders geeignet hat sich auch ein SiC-Bestandteil und/oder ein Al2O3-Bestandteil erwiesen.In addition, the first and / or the second material component according to the concept of the invention or a further development thereof can expediently have a further constituent, which can be chosen advantageously depending on the case of use. Another component may in particular be a plastic and / or a polymer and / or a highly heat-resistant component. It has been found that highly heat-resistant constituents can be formed, for example, in the form of a graphite and / or silicon constituent. A SiC component and / or an Al 2 O 3 component has also proved to be particularly suitable.
Vorteilhaft wird das Konzept umsetzbar durch Werkstoffe, enthaltend wenigstens ein Metall und/oder wenigstens ein Polymer, insbesondere in Lagen geschichtet, abwechslungs- weise mit Lagen aus CNT.Advantageously, the concept can be implemented by materials comprising at least one metal and / or at least one polymer, in particular layered layers, alternately with layers of CNT.
Die zweite Werkstoffkomponente liegt vorteilhaft in körniger Form oder in Form von Partikeln vor, wobei die Partikelgröße von 0,5 μm bis 2000 μm, vorteilhaft von 1 μm bis 1000 μm, beträgt. Die einzelnen Lagen oder Schichten des Metalls oder Polymers können eine Dicke von 10 nm bis 500'0OO nm, vorteilhaft von 20 nm bis 2001OOO nm, aufweisen. Die Dicken der einzelnen Lagen oder Schichten der CNT können von 10 nm bis 1001OOO nm, vorteilhaft von 20 nm bis 501OOO nm, betragen.The second material component is advantageously present in granular form or in the form of particles, the particle size of 0.5 .mu.m to 2000 .mu.m, advantageously from 1 .mu.m to 1000 .mu.m. The individual plies or layers of the metal or polymer may have a thickness of 10 nm to 500'0OO nm, preferably from 20 nm to 200 nm 1 OOO. The thicknesses of the individual layers or plies of the CNT can range from 20 nm to 50 nm 1 OOO be from 10 nm to 100 nm 1 OOO advantageous.
Als Metalle eignen sich Metalle, wie Eisen- und Nichteisenmetalle sowie Edelmetalle. Geeignete Eisenmetalle sind Eisen, Kobalt und Nickel, deren Legierungen sowie Stähle. Zu den Nichteisenmetallen können das Aluminium, Magnesium und Titan etc. sowie deren Legierungen aufgezählt werden. Als weitere Beispiele von Metallen können Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Zink, Zinn, Tantal oder Wolfram sowie Legierungen davon oder die Legierungen Messing und Bronze, ge- nannt werden. Es können auch Rhodium, Palladium, Platin, Gold und Silber eingesetzt werden. Die genannten Metalle können sortenrein oder in Gemischen untereinander angewendet werden. Aluminium und dessen Legierungen sind bevor- zugt. Neben Reinaluminium sind die Legierungen des Aluminiums bevorzugt. Das Metall wird körnig oder in Granulatoder Pulverform im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt. Typische Korngrößen der Metalle sind von 5 μm bis 1000 μm und zweckmäßig von 15 μm bis 1000 μm.Suitable metals are metals, such as iron and non-ferrous metals and precious metals. Suitable ferrous metals are iron, cobalt and nickel, their alloys and steels. Among the non-ferrous metals, aluminum, magnesium and titanium etc. as well as their alloys can be enumerated. As further examples of metals may be mentioned vanadium, chromium, manganese, copper, zinc, tin, tantalum or tungsten and alloys thereof or the alloys brass and bronze. It is also possible to use rhodium, palladium, platinum, gold and silver. The metals mentioned can be sorted or mixed with one another. Aluminum and its alloys are preferred Trains t. In addition to pure aluminum, the alloys of aluminum are preferred. The metal is used in granular or granular or powder form in the process according to the invention. Typical grain sizes of the metals are from 5 .mu.m to 1000 .mu.m and suitably from 15 .mu.m to 1000 .mu.m.
Als Polymere eignen sich thermoplastische, elastische oder duroplastische Polymere. Beispiele sind Polyolefine, wie Polypropylen oder Polyethylen, Cycloolefin- Copolymere, Po- lyamide, wie die Polyamide 6, 12, 66, 610 oder 612, Polyester, wie Polyethylenterephtalat , Polyacrylnitril, Polystyrole, Polycarbonate, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat , Styrol-Butadien-Copolymere, Acrylnitril-Butadien- Copolymere, Polyurethane, Polyacrylate und Copolymere, Alkydharze, Epoxide, Phenol-Formaldehydharze, Harnstoff- Formaldehydharze usw. Die Polymere werden sortenrein oder im Gemisch untereinander oder im Gemisch mit Metall, jeweils körnig oder in Granulat- oder Pulverform im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt. Typische Korngrößen der Polymere sind von 5 μm bis 1000 μm und zweckmäßig von 15 μm bis 1000 μm.Suitable polymers are thermoplastic, elastic or thermosetting polymers. Examples are polyolefins, such as polypropylene or polyethylene, cycloolefin copolymers, polyamides, such as the polyamides 6, 12, 66, 610 or 612, polyesters, such as polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, polystyrenes, polycarbonates, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, styrene-butadiene copolymers , Acrylonitrile-butadiene copolymers, polyurethanes, polyacrylates and copolymers, alkyd resins, epoxides, phenol-formaldehyde resins, urea-formaldehyde resins, etc. The polymers are sorted or mixed with each other or in admixture with metal, granular or in granular or powder form in the present invention Method used. Typical particle sizes of the polymers are from 5 .mu.m to 1000 .mu.m and suitably from 15 .mu.m to 1000 .mu.m.
Als CNT können beispielsweise katalytisch, im Lichtbogen, mittels Laser oder durch Gaszersetzung erzeugte Materialien verwendet werden. Die CNT können einwandig oder mehrwandig, wie zweiwandig, sein. Die CNT können offene oder geschlossene Röhren sein. Die CNT können beispielsweise von 0,4 nm (Nanometer) bis 50 nm Durchmesser und eine Länge von 5 nm bis 501OOO nm aufweisen. Die CNT können auch schwammähnli- che Gebilde, d.h. 2- oder 3-dimensionale Gerüstkörper, aus gegenseitig vernetzten Kohlenstoffnanoröhrchen darstellen. Der Durchmesser der einzelnen Röhrchen bewegt sich dabei im oben angegebenen Bereich von z.B. 0,4 nm bis 50 nm. Die Ausdehnung der Schwammstruktur, d.h. die Seitenlängen eines Gerüstkörpers aus CNT, kann beispielhaft mit 10 nm bis 501OOO nm, vorteilhaft mit I1OOO nm bis 50'0OO nm, in jeder der Dimensionen angegeben werden.As CNT, for example, catalytically, in an arc, by laser or by gas decomposition generated materials can be used. The CNTs can be single-walled or multi-walled, such as double-walled. The CNTs can be open or closed tubes. The CNT may, for example, of 0.4 nm (nanometers) to 50nm in diameter and a length of 5 nm to 50 nm 1 OOO. The CNTs may also be sponge-like structures, ie 2- or 3-dimensional frameworks, of mutually cross-linked carbon nanotubes. The diameter of the individual tubes thereby moves in the above-mentioned range of, for example, 0.4 nm to 50 nm Extent of the sponge structure, ie the side lengths of a framework body of CNT, can be given by way of example with 10 nm to 50 1 000 nm, advantageously with I 1 000 nm to 50'0OO nm, in each of the dimensions.
Der Werkstoff nach vorliegender Erfindung kann beispielsweise 0,1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf den Werkstoff, CNT enthalten. Zweckmäßig sind Mengen von 0,3 bis 40 Gew.-%, bevorzugt von 0,5 bis 20 Gew.-% und insbesondere 1 bis 10 Gew.-% CNT im Werkstoff enthalten. Stellt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung das Metall des Werkstoffes dar, so kann der Werkstoff zweckmäßig 0,5 bis 20 Gew.-% CNT, bezogen auf den Werkstoff, enthalten, wobei 3 bis 17 Gew.-% CNT bevorzugt und 3 bis 6 Gew.-% CNT besonders bevorzugt wer- den.The material according to the present invention may contain, for example, from 0.1 to 50% by weight, based on the material, of CNT. Suitably, amounts of 0.3 to 40 wt .-%, preferably from 0.5 to 20 wt .-% and in particular 1 to 10 wt .-% CNT contained in the material. If aluminum or an aluminum alloy is the metal of the material, the material may suitably contain 0.5 to 20% by weight of CNT, based on the material, with 3 to 17% by weight of CNT being preferred and 3 to 6% by weight. % CNT are particularly preferred.
Die Werkstoffe können aus den genannten Metallen und den genannten CNT bestehen, sie können aus den genannten Metallen, Polymeren und CNT bestehen oder können aus den genann- ten Polymeren und CNT bestehen oder die vorstehend angeführten Werkstoffe können zusätzliche Beimengungen, beispielsweise funktionelle Beimengungen, enthalten. Funktionelle Beimengungen sind beispielsweise Kohlenstoff, auch in Russ-, Graphit- und Diamantmodifikation, Gläser, Kohlen- stofffasern, Kunststofffasern, anorganische Fasern, Glasfasern, Silikate, keramische Materialien, Carbide oder Nitri¬ de des Aluminiums oder Siliziums, wie Aluminiumcarbid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid, beispielsweise auch in Faserform, sog. Whiskers.The materials may consist of said metals and said CNT, they may consist of said metals, polymers and CNT, or may consist of the said polymers and CNT, or the above-mentioned materials may contain additional admixtures, for example functional admixtures. Functional additives are, for example, carbon, soot, graphite and diamond modification, glasses, fibers of carbon, plastic fibers, inorganic fibers, glass fibers, silicates, ceramics, carbides or Nitri ¬ de of aluminum or silicon, such as aluminum carbide, aluminum nitride, silicon carbide or silicon nitride, for example in fiber form, so-called whiskers.
Der erfindungsgemäße Duplex-Aluminium-Werkstoff ist herstellbar indem durch mechanisches Legieren („mechanical al- loying") der jeweiligen Anteile von Metall, Polymer und CNT für die zweite Werkstoffkomponente zur Verfügung gestellt wird. Mechanisches Legieren ist ausführbar durch wiederholte Deformation, Brechen und Schweißen von pulverigen Partikeln aus dem Metall oder dem Polymer und den CNT. Erfin- dungsgemäß besonders geeignet zum mechanischen Legieren sind Kugelmühlen mit hochenergetischen Kugelkollisionen. Einen geeigneten Energieeintrag wird beispielsweise in Kugelmühlen erreicht, deren Mahlkammer einen zylinderförmigen, vorzugsweise kreiszylinderförmigen, Querschnitt auf- weist und die Mahlkammer, im Regelfalle, in horizontaler Lage angeordnet ist. Das Mahlgut und die Mahlkugeln werden durch die sich um ihre Zylinderachse drehende Mahlkammer bewegt und durch einen sich in Richtung der Zylinderachse in die Mahlkammer erstreckenden, mit einer Mehrzahl von No- cken ausgestatteten angetriebenen Drehkörper zusätzlich weiter beschleunigt werden. Die Geschwindigkeit der Mahlkugeln wird vorteilhaft auf 4 m/s und höher, zweckmäßig auf 5 m/s, insbesondere 11 m/s und höher eingestellt. Vorteilhaft sind Geschwindigkeiten der Mahlkugeln im Bereich von 6 bis 14 m/s, insbesondere 11 bis 14 m/s. Ebenfalls vorteilhaft ist ein Drehkörper, dessen Mehrzahl von Nocken ü- ber die ganze Länge verteilt angeordnet sind. Die Nocken können sich beispielsweise über 1/10 bis 9/10, vorzugsweise 4/10 bis 8/10, des Radius der Mahlkammer erstrecken. Auch vorteilhaft ist ein Drehkörper, der sich über die ganze Ausdehnung der Mahlkammer in der Zylinderachse erstreckt. Der Drehkörper wird, wie auch die Mahlkammer, unabhängig voneinander oder synchron angetrieben, von einem Außenantrieb in Bewegung gesetzt. Die Mahlkammer und der Drehkör- per können gleichläufig oder bevorzugt gegenläufig drehen. Die Mahlkammer kann evakuiert und der Mahlprozess im Vakuum betrieben werden oder die Mahlkammer kann mit einem Schutzoder Inertgas befüllt und betrieben werden. Beispiele von Schutzgasen sind z.B. N2, CO2, von Inertgasen He oder Ar. Die Mahlkammer und damit das Mahlgut kann beheizt oder gekühlt werden. Fallweise kann kryogen gemahlen werden.The inventive duplex aluminum material can be produced by mechanical alloying (mechanical alloying) of the respective proportions of metal, polymer and CNT provided for the second material component. Mechanical alloying can be carried out by repeated deformation, breaking and welding of powdery particles of the metal or polymer and the CNT. According to the invention, particularly suitable for mechanical alloying are ball mills with high-energy ball collisions. A suitable energy input is achieved for example in ball mills whose grinding chamber has a cylindrical, preferably circular-cylindrical, cross-section and the grinding chamber, as a rule, is arranged in a horizontal position. The millbase and the grinding balls are moved by the grinding chamber rotating about its cylinder axis and are additionally further accelerated by a driven rotary body extending in the direction of the cylinder axis into the grinding chamber and equipped with a plurality of cams. The speed of the grinding balls is advantageously set to 4 m / s and higher, suitably to 5 m / s, in particular 11 m / s and higher. Velocities of the grinding balls in the range of 6 to 14 m / s, in particular 11 to 14 m / s, are advantageous. Also advantageous is a rotary body, the majority of cam ü distributed over the entire length are arranged. The cams may, for example, extend over 1/10 to 9/10, preferably 4/10 to 8/10, of the radius of the grinding chamber. Also advantageous is a rotary body which extends over the entire extent of the grinding chamber in the cylinder axis. The rotary body is, as well as the grinding chamber, driven independently or synchronously, set by an external drive in motion. The grinding chamber and the rotating body can rotate in the same direction or preferably in opposite directions. The grinding chamber can be evacuated and the grinding process can be operated in a vacuum or the grinding chamber can be filled and operated with a protective or inert gas. Examples of Protective gases are, for example, N 2 , CO 2 , of inert gases He or Ar. The grinding chamber and thus the ground material can be heated or cooled. Case by case can be cryogenically ground.
Typisch ist eine Mahldauer von 10 Stunden und weniger. Die minimale Mahldauer beträgt zweckmäßig 15 min. Bevorzugt ist eine Mahldauer zwischen 15 min und 5 Stunden. Besonders bevorzugt ist eine Mahldauer von 30 min bis 3 Stunden, insbesondere bis 2 Stunden.Typical is a grinding time of 10 hours and less. The minimum grinding time is appropriately 15 min. A milling time between 15 minutes and 5 hours is preferred. Particularly preferred is a grinding time of 30 minutes to 3 hours, in particular up to 2 hours.
Die Kugelkollisionen sind der hauptsächliche Grund für den Energietransfer. Der Energietransfer lässt sich ausdrücken durch die Formel Ekin = mv2, wobei m die Masse der Kugel ist und v die relative Geschwindigkeit der Kugel bedeutet. Das mechanische Legieren in der Kugelmühle wird in der Regel mit Stahlkugeln, beispielsweise mit einem Durchmesser von 2,5 mm und einem Gewicht von ca. 50 g oder mit Zirkonoxid- kugeln (ZrO2) gleichen Durchmessers mit einem Gewicht von 0,4 g, durchgeführt.The ball collisions are the main reason for the energy transfer. The energy transfer can be expressed by the formula Ekin = mv 2 , where m is the mass of the sphere and v is the relative velocity of the sphere. The mechanical ball milling is usually carried out with steel balls, for example with a diameter of 2.5 mm and a weight of about 50 g, or with zirconium oxide balls (ZrO 2 ) of the same diameter with a weight of 0.4 g, carried out.
Entsprechend dem Energieeintrag in die Kugelmühle können Werkstoffe mit bevorzugter Verteilung der Lagen aus Metall oder Polymer und CNT erzeugt werden. Mit zunehmendem Energieeintrag kann die Dicke der einzelnen Lagen verändert werden. Neben dem Energieeintrag kann durch die Dicke der dem Mahlprozess zugeführten CNT-Struktur die Dicke der CNT- Lagen im gemahlenen Werkstoff gesteuert werden. Mit zunehmendem Energieeintrag kann die Dicke der einzelnen Lagen reduziert und jeweilige Lage bezüglich der Ausdehnung in der Fläche vergrößert werden. Durch die zunehmende Ausdehnung in der Fläche können sich beispielsweise einzelne Lagen aus CNT berühren bis hin zu in zwei Dimensionen durchgehenden CNT-Schichten oder durchgehend in zwei Dimensionen sich berührende CNT-Lagen durch ein Partikel hindurch. Damit gelingt es die hervorragenden Eigenschaften der CNT, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der CNT, einerseits und die Duktilität des Metalls oder die Elastizität des Polymers andererseits, in der zweiten Werkstoffkomponente im Wesentlichen beizubehalten.Depending on the energy input into the ball mill, materials with a preferred distribution of the layers of metal or polymer and CNT can be produced. With increasing energy input, the thickness of the individual layers can be changed. In addition to the energy input, the thickness of the CNT structure fed to the milling process can be used to control the thickness of the CNT layers in the milled material. With increasing energy input, the thickness of the individual layers can be reduced and the respective position can be increased with respect to the expansion in the area. Due to the increasing expansion in the surface, for example, individual layers of CNT can touch each other up to two-dimensional continuous CNT layers or throughout in two dimensions touching CNT layers through a particle. This makes it possible to substantially maintain the excellent properties of the CNT, for example the thermal conductivity and the electrical conductivity of the CNT, on the one hand and the ductility of the metal or the elasticity of the polymer on the other hand in the second material component.
Eine weitere Steuerung der Eigenschaften der zweiten Werk- stoffkomponente kann durch Mischen von zwei oder mehreren Werkstoffen unterschiedlichen Ausgangsmaterials und/oder Energieeintrags bei deren Erzeugung erzielt werden. Es können auch Materialien, wie Metall oder Kunststoff, frei von CNT, und ein oder mehrere CNT enthaltende Werkstoffe ge- mischt oder mechanisch legiert, d.h. gemahlen werden. Die unterschiedlichen Werkstoffe, fallweise mit den Materialien, können gemischt oder einer zweiten Mahlung oder mehreren Mahlungen unterzogen werden. Die zweite Mahlung oder darauffolgende Mahlungen können beispielsweise eine Mahl- dauer von 10 Stunden und weniger dauern. Die minimale Zeitdauer der zweiten Mahlung beträgt zweckmäßig min. Bevorzugt ist eine zweite Mahldauer zwischen 10 min und 5 Stunden. Besonders bevorzugt ist eine zweite Mahldauer von 15 min bis 3 Stunden, insbesondere bis 2 Stunden.Further control of the properties of the second material component can be achieved by mixing two or more materials of different starting material and / or energy input during their production. Also, materials such as metal or plastic, free of CNT, and one or more CNT-containing materials may be mixed or mechanically alloyed, i. be ground. The different materials, occasionally with the materials, can be mixed or subjected to a second grinding or several grinding operations. For example, the second refining or subsequent refining may take a grinding time of 10 hours or less. The minimum time of the second grinding is appropriate min. Preferably, a second grinding time is between 10 minutes and 5 hours. Particularly preferred is a second grinding time of 15 minutes to 3 hours, in particular up to 2 hours.
Beispielsweise kann eine zweit Werkstoffkomponente hohen CNT-Gehaltes und ein Werkstoff geringeren CNT-Gehaltes oder Werkstoffe unterschiedlichen Energieeintrages, in einem zweiten Mahlvorgang verarbeitet werden. Auch kann ein CNT enthaltender Werkstoff, wie ein CNT-haltiges Metall, z.B. Aluminium, mit einem CNT-freien Metall, z.B. ebenfalls Aluminium, in einem zweiten Mahlvorgang verarbeitet werden. Der zweite oder Mahlvorgang oder mehrere Mahlvorgänge, resp. das mechanische Legieren, wird dabei nur soweit geführt, dass der resultierende Werkstoff nicht vollständig homogenisiert wird, sondern die jedem Werkstoff oder Material innewohnenden Eigenschaften erhalten bleiben und sich die Wirkungen im endgültigen Werkstoff ergänzen.For example, a second material component high CNT content and a material lower CNT content or materials different energy input, are processed in a second grinding process. Also, a CNT-containing material, such as a CNT-containing metal, for example aluminum, with a CNT-free metal, for example, also aluminum, are processed in a second grinding operation. The second or grinding process or several grinding operations, respectively. The mechanical alloying is carried out only to the extent that the resulting material is not completely homogenized, but the inherent properties of any material or material are retained and supplement the effects in the final material.
Mit dem beschriebenen Verfahren können die den CNT innewohnenden Eigenschaften, die an sich eine gezielte Verarbeitung verunmöglichen, wie ein geringeres spezifisches Ge- wicht gegenüber dem spezifischen Gewicht von Metallen und die schlechte Benetzbarkeit der CNT durch Metalle, überwunden werden. So können als Beispiel für die unterschiedliche Dichte für Aluminium 2,7 g/cm3 und für die CNT 1,3 g/cm3 angegeben werden.With the described method, it is possible to overcome the intrinsic properties inherent in CNT, which in themselves make targeted processing impossible, such as a lower specific gravity over the specific gravity of metals and the poor wettability of CNT by metals. Thus, as an example of the different density for aluminum 2.7 g / cm 3 and for the CNT 1.3 g / cm 3 are given.
Die zweite Werkstoffkomponente findet z.B. Verwendung in Formkörpern, einschließlich Halbzeuge und Schichten, die durch Sprühkompaktieren, thermische Spritzverfahren, Plasmasprühen, Extrusionsverfahren, Sinterverfahren, druckge- steuerte Infiltrationsverfahren oder Pressgießen hergestellt sind.The second material component finds e.g. Use in shaped articles, including semi-finished products and layers produced by spray compacting, thermal spraying, plasma spraying, extrusion processes, sintering processes, pressure-controlled infiltration processes or compression molding.
Vorliegende zweite Werkstoffkomponente ist demnach beispielsweise durch Sprühkompaktieren zu Formkörpern verar- beitbar. Beim Sprühkompaktieren wird eine Metallschmelze, Schmelze aus beispielsweise eine Stahl, Magnesium oder bevorzugt Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, über einen beheizten Tiegel einem Sprühkopf zugeführt, dort zu feinen Tröpfchen zerstäubt und auf ein Substrat oder Unterlage ge- sprüht. Die zunächst noch schmelzflüssigen Tröpfchen kühlen sich während des Fluges von der Zerstäubungseinrichtung bis zum tiefer gelegenen Substrat ab. Der Partikelstrom trifft dort mit hoher Geschwindigkeit auf, um zu dem so genannten Deposit aufzuwachsen und dabei gänzlich zu erstarren und weiter abzukühlen. Beim Sprühkompaktieren nutzt man für den Formgebungsprozeß den besonderen, als Zustand kaum exakt zu definierenden Phasenübergang „flüssig zu fest" von kleinen, zu einem geschlossenen Materialverbund zusammenwachsenden, Schmelzepartikeln. In vorliegendem Fall wird die zweite Werkstoffkomponente, enthaltend die CNT, in Pulverform der Zerstäubungseinrichtung zugeführt und feinen Metalltröpfchen aus dem Verdüsungsprozess der Metallschmelze ver- sprüht. Die Prozessführung ist derart, dass die CNT enthaltenden Werkstoffe nicht oder nur an der Oberfläche angeschmolzen werden und eine Entmischung nicht erfolgt. Der Partikelstrom aus Werkstoff und Metalltröpfchen trifft auf dem Substrat mit hoher Geschwindigkeit auf und wächst zum Deposit auf. Entsprechend dem Substrat, wie Drehteller, Drehstab oder Tisch, können als Formkörper Vollkörper, wie Bolzen, Hohlkörper, wie Rohre oder Materialstreifen, wie Bleche oder Profile, gefertigt werden. Das Deposit ist ein inniges und homogenes Gemisch von Metall mit eingelagerten CNT mit der gewünschten gleichförmigen Anordnung der Bestandteile in der Struktur. Beispielsweise kann das Deposit in Form eines Bolzens (sog. Billet) anfallen. In nachfolgenden Behandlungsschritten, wie einer Extrusion eines Bolzens können hochkompakte und Fehlstellen freie Halbzeuge (Rohre, Bleche etc.) oder Formkörper mit einer Lamellenstruktur erzeugt werden. Die Halbzeuge und Formkörper weisen z.B. eine mehr oder weniger ausgeprägte Anisotropie in der Struktur und mechanischen und physikalischen Eigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähig- keit, Festigkeit und Duktilität auf. Weitere Anwendungen der erfindungsgemäßen Duplex-Aluminium-Werkstoffe liegen im Bereich der Neutronenfänger, der Strahlenmoderierung oder der Erzeugung von Schichten zum Strahlenschutz. Die vorliegende zweite Werkstoffkomponente lässt in andererThe present second material component can therefore be processed, for example, by spray-compacting into shaped bodies. In spray compacting, a molten metal melt, for example a steel, magnesium or preferably aluminum or an aluminum alloy, is fed to a spray head via a heated crucible, where it is atomized to form fine droplets and sprayed onto a substrate or base. The initially still molten droplets cool during the flight from the atomizer to the lower substrate. The particle flow hits there at high speed to the so-called To grow up deposit and thereby completely freeze and continue to cool. In the case of spray compacting, the special phase transition "liquid-to-solid", which grows together to form a closed composite of materials, is used for the shaping process in the present case where the second material component containing the CNT is fed to the atomizing device in powder form The process is such that the CNT-containing materials are not or only at the surface melted and no segregation occurs.The particle flow of material and metal droplets impinges on the substrate at high speed on According to the substrate, such as turntable, torsion bar or table, solid bodies, such as bolts, hollow bodies, such as pipes or strips of material, such as sheets or profiles, can be produced as shaped bodies a mixture of metal with embedded CNT with the desired uniform arrangement of the constituents in the structure. For example, the deposit in the form of a bolt (so-called billet) incurred. In subsequent treatment steps, such as extrusion of a bolt, it is possible to produce highly compact and defect-free semi-finished products (tubes, sheets, etc.) or shaped bodies with a lamellar structure. The semifinished products and shaped bodies have, for example, a more or less pronounced anisotropy in the structure and mechanical and physical properties, such as electrical conductivity, thermal conductivity, strength and ductility. Further applications of the duplex aluminum materials according to the invention are in the field of neutron capturing, radiation moderating or the generation of layers for radiation protection. The present second material component leaves in another
Weise die Verwendung als Formkörper oder Schicht zu, wobei die Formkörper durch thermische Spritzverfahren wie dem Plasmaspritzen (Plasmaspraying) oder dem KaltgasspritzenAppropriate use as a shaped body or layer, wherein the shaped body by thermal spraying methods such as plasma spraying (plasma spraying) or the cold gas spraying
(CoId Gas Spraying) erzeugt werden. Bei den thermischen(CoId gas spraying) are generated. At the thermal
Spritzverfahren werden pulverförmige Werkstoffe in eineSpray processes are powdered materials in one
Energiequelle injiziert und dort je nach Verfahrensvariante nur erwärmt, angeschmolzen oder vollständig aufgeschmolzen und auf hohe Geschwindigkeiten (je nach Verfahren und Parameterwahl von einigen m/s bis hin zu 1500 m/s) in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche beschleunigt, wo sich die auftreffenden Partikel als Schicht niederschlagen. Treffen die idealerweise erwärmten bzw. nur an der Oberfläche ange- schmolzenen Partikel auf dem Substrat mit sehr hoher kinetischer Energie auf, legen sich die CNT vorzugsweise in die Tröpfchenebene, d.h. quer zur Strahl- und Aufprallrichtung. Dies führt zu einer kontrollierten Anisotropie der Materialeigenschaften, wie der Zugfestigkeit.Energy source injected and there depending on the process variant only heated, melted or completely melted and accelerated to high speeds (depending on the method and parameter selection from a few m / s up to 1500 m / s) in the direction of the surface to be coated, where the impinging particles precipitate as a layer. When the particles, which are ideally heated or melted only at the surface, encounter very high kinetic energy on the substrate, the CNT preferentially settles to the droplet plane, i. transverse to the beam and impact direction. This leads to a controlled anisotropy of the material properties, such as the tensile strength.
Die CNT-haltige zweite Werkstoffkomponente kann alternativ oder zusätzlich auch durch Extrusionsverfahren, Sinterverfahren oder Druckgießverfahren zu Formkörpern weiterverarbeitet werden. Beim Press- oder Druckgießen wird eine lang- same, insbesondere laminare, kontinuierliche Formfüllung bei hohen Metalldrücken angestrebt. Es können beispielsweise Verbundwerkstoffe durch Infiltration poröser Faser- oder Partikelformkörper durch ein verflüssigtes Metall erzeugt werden .The CNT-containing second material component can alternatively or additionally be further processed by extrusion processes, sintering or die casting process to give moldings. In compression or pressure casting, a slow, in particular laminar, continuous mold filling at high metal pressures is desired. For example, composite materials can be produced by infiltration of porous fiber or particle shaped bodies by a liquefied metal.
In Press- oder Druckgießverfahren wird zweckmäßig die zweite Werkstoffkomponente, aus dem die CNT enthaltenden Metalle in einer Gießform als pulverförmiger Matrixwerkstoff vorgelegt. Es wird ein Metall, dessen Schmelzpunkt unter demjenigen des Werkstoffes liegt, beispielsweise bei alumi- niumhaltigen Werkstoffen ein Metall mit einer Schmelzetemperatur von unter 7500C, langsam in die beheizte Gießform eingepresst. Das flüssige Metall durchdringt den pulverför- migen Matrixwerkstoff unter dem angelegten Druck. Danach kann die Gießform gekühlt und der Formkörper entformt werden. Das Verfahren kann auch kontinuierlich durchgeführt werden. In einer Ausführungsvariante kann das Metall, z.B. Aluminium zu thixotropes Verhalten zeigenden Vorprodukten verarbeitet und die CNT inkorporiert werden. Anstelle verflüssigten Metalls kann ein vorerhitztes im Zustand thi- xotropen (teils flüssig/teils fest) Verhaltens befindliches Metall, enthaltend die CNT, in der Gießform eingepresst werden. Es ist auch möglich, den Werkstoff in Partikeloder Granulatform, wobei in den einzelnen Partikeln das Metall in Lagen abwechslungsweise mit Lagen aus CNT geschichtet ist, als Haufwerk in die Gießform einzufüllen, die Gießform zu beheizen und unter Druck eine vollständige Formfüllung ohne Poren und Lunker im entstehenden Formkörper zu erreichen. Schließlich können grob gemischtes Metallpulver, z.B. Aluminiumpulver oder thixotrope Eigenschaften aufweisendes Aluminium, und CNT, die CNT in Schwammform oder als Cluster mit einem Durchmesser von bei- spielsweise bis zu 0,5 mm, grob gemischt und in der Gießform unter Wärmeeinwirkung zum Schmelzen des Metalls ver- presst werden. Mit den Pressgießverfahren können günstig Formkörper, beispielsweise stabförmige Formkörper, diskontinuierlich oder kontinuierlich, erzeugt werden. Aluminium mit thixotropen Eigenschaften ist beispielsweise erhältlich durch Schmelzen von Aluminium oder Aluminiumlegierungen und rasches Abkühlen unter stetem Rühren bis zur Erstarrung. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann der zwei¬ te Strahl ein mit dem ersten Strahl identischer Strahl sein - mit anderen Worten kann die erste Komponente und die zweite Komponente bei Bedarf gemeinsam beispielsweise einer Sprühdüse zur Darstellung eines einzigen Sprühstrahls beim Sprühkompaktieren zugeführt werden. Darüber hinaus hat sich jedoch vor allem eine Variante als vorteilhaft erwiesen, bei dem ein zweiter vom ersten separat gebildeter Strahl genutzt wird, um die zweite Werkstoffkomponente dem ersten Strahl zuzuführen. Je nach Bedarf können beide oder einer der Strahl als Sprühstrahl gebildet sein. Darüber hinaus kann je nach Maßgabe der erste und der zweite Strahl kollinear gebildet sein oder je nach Bedarf im gewissen Winkel zueinander vorgesehen sein.In press or die casting process, the second material component, from which the metals containing the CNT in a casting mold as a powdery matrix material, expediently becomes submitted. It is a metal whose melting point is lower than that of the material, for example, in aluminum-containing materials, a metal having a melt temperature of below 750 0 C, slowly pressed into the heated mold. The liquid metal penetrates the powdered matrix material under the applied pressure. Thereafter, the mold can be cooled and the molding removed from the mold. The process can also be carried out continuously. In one embodiment variant, the metal, eg aluminum, can be processed into thixotropic behavior-exhibiting precursors and the CNT can be incorporated. Instead of liquefied metal, a preheated metal in the thixotropic (partly liquid / partly solid) state, containing the CNT, can be pressed into the casting mold. It is also possible, the material in particle or granular form, wherein in the individual particles, the metal is layered in layers alternately with layers of CNT, filled as a debris in the mold, to heat the mold and under pressure a complete mold filling without pores and voids in the To reach resulting moldings. Finally, coarsely mixed metal powders, such as aluminum powder or aluminum having thixotropic properties, and CNT, the CNT in sponge form or as clusters having a diameter of, for example, up to 0.5 mm, can be coarsely mixed and heated in the mold under heat to melt the metal be pressed. Moldings, for example rod-shaped moldings, batchwise or continuously, can be produced at low pressure using the pressure casting methods. Aluminum with thixotropic properties is obtainable, for example, by melting aluminum or aluminum alloys and rapid cooling with constant stirring until solidification. In a particularly preferred development of the two ¬ te beam may be an identical with the first beam beam - in other words, the first component and the second component when needed can be supplied in common example of a spray nozzle to represent a single spray during spray. In addition, however, above all a variant has proven to be advantageous in which a second beam separately formed by the first is used to supply the second material component to the first beam. Depending on requirements, both or one of the jet may be formed as a spray jet. In addition, depending on the requirements of the first and the second beam may be collinear or be provided as needed at a certain angle to each other.
Wie oben bereits teilweise erläutert, hat es sich als besonderes vorteilhaft erwiesen, dass die erste Werkstoffkomponente in geschmolzenem Zustand in den ersten Strahl eingebracht ist. Dazu kann die erste Werkstoffkomponente, bei- spielsweise durch Versprühen durch eine Düse als flüssige Tröpfchen in den ersten Strahl eingebracht werden.As already partially explained above, it has proved to be particularly advantageous that the first material component is introduced in the molten state into the first jet. For this purpose, the first material component, for example by spraying through a nozzle as liquid droplets, can be introduced into the first jet.
Die zweite Werkstoffkomponente kann in bevorzugter Weise im pulverförmigen Zustand in den zweiten Strahl eingebracht werden. Dazu eignet sich insbesondere ein partikelförmiger Zustand der zweiten Werkstoffkomponente, vorzugsweise als Nanopartikel . Solche und ähnliche Partikel lassen sich in besonders bevorzugter Weise gemäß einem der oben beschriebenen Mahlverfahren darstellen. Die gemäß dieser Weiterbil- düng vorgesehene Anordnung eines ersten und eines davon separaten zweiten Strahls gewährleistet vor allem die Einbringung der zweiten Komponente, ohne dass eine Entmischung von beispielsweise Nanopartikeln mit einer Aluminium- Matrix, erfolgen kann. Die eingesprühten Partikel werden in der heißen Wolke aus beispielsweise flüssigen Tröpfchen der ersten Werkstoffkomponente kurzzeitig aufgeschmolzen, homogen durchmischt und nach vergleichsweise kurzer Flugzeit gemeinsam auf einem Substrat abgeschieden, wo das Material in Form des Duplex-Aluminium-Werkstoffs sofort erstarrt.The second material component can be introduced in a preferred manner in the powdery state in the second jet. In particular, a particulate state of the second material component, preferably as a nanoparticle, is suitable for this purpose. Such and similar particles can be particularly preferably prepared according to one of the grinding methods described above. The arrangement of a first and a separate second jet provided according to this further embodiment ensures, above all, the introduction of the second component, without a segregation of, for example, nanoparticles with an aluminum component. Matrix, can be done. The sprayed particles are briefly melted in the hot cloud of, for example, liquid droplets of the first material component, homogeneously mixed and deposited after a comparatively short flight time together on a substrate where the material immediately solidifies in the form of duplex aluminum material.
In anderen ebenfalls geeigneten Weiterbildungen ist es darüber hinaus möglich, dass die erste Werkstoffkomponente im pulverförmigen Zustand im zweiten Strahl und die zweite Werkstoffkomponente in geschmolzenem Zustand in den ersten Strahl eingebracht ist.In other likewise suitable developments, it is also possible that the first material component is introduced in the powdered state in the second beam and the second material component in the molten state in the first beam.
Insgesamt zeigen die Aluminium-Duplex-Werkstoffe und Form- körper daraus eine gute Temperaturleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Das Temperaturverhalten von Formkörpern aus den erfindungsgemäßen Werkstoffen ist hervorragend. Die thermische Expansion ist gering. Die Kriechdehnung verbessert sich. Durch den Zusatz der CNT zu den Me- tallen, wie Aluminium, kann eine wesentliche Verfeinerung der Kornstruktur auf beispielsweise 0,6 - 0,7 Fm beobachtet werden. Die Zugabe der CNT zu den Metallen kann eine Rekristallisation des Metalls beeinflussen, resp. verhindern. Auch eine Rissausbreitung kann durch die CNT im Metall re- duziert oder verhindert werden. Ein erfindungsgemäßer Werkstoff zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Wärmfestigkeit aus.Overall, the aluminum duplex materials and moldings show good thermal conductivity and electrical conductivity. The temperature behavior of moldings of the materials according to the invention is outstanding. The thermal expansion is low. The creep strain improves. By adding the CNT to the metals, such as aluminum, a substantial refinement of the grain structure to, for example, 0.6-0.7 Fm can be observed. The addition of CNT to the metals can influence recrystallization of the metal, resp. prevent. Crack propagation can also be reduced or prevented by the CNT in the metal. An inventive material is characterized in particular by a high heat resistance.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen be- treffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kom- bination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der ge- nannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.Embodiments of the invention will now be described below with reference to the drawing. This is not necessarily to scale the embodiments, but the drawing, where appropriate for explanation, in a schematized and / or slightly distorted form executed. With regard to additions to the teachings directly recognizable from the drawing reference is made to the relevant prior art. It should be noted that various modifications and changes in the form and detail of an embodiment may be made without departing from the general idea of the invention. The features of the invention disclosed in the description, in the drawing and in the claims may be essential both individually and in any combination for the development of the invention. In addition, all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the drawings and / or the claims fall within the scope of the invention. The general idea of the invention is not limited to the exact form or detail of the preferred embodiment shown and described below or limited to an article which would be limited in comparison to the subject matter claimed in the claims. For the given design ranges, values within the specified limits should also be disclosed as limit values and be arbitrarily usable and claimable.
Im Einzelnen ergeben sich Fig. 1 bis Fig. 9 der Zeichnung wie folgt:In detail, FIGS. 1 to 9 of the drawings are as follows:
Fig. 1: zeigt ein veranschaulichendes Schema, welches die Möglichkeit einer massiven Erhöhung der Zugfestigkeit eines aluminiumbasierten Komposits mit CNT im Vergleich zu Reinaluminium verdeutlicht;Fig. 1: shows an illustrative scheme illustrating the possibility of a massive increase in the tensile strength of an aluminum-based composite with CNT compared to pure aluminum;
Fig. 2. zeigt eine schematische Darstellung einer Sprüh- kompaktiervorrichtung zur Aufbringung eines Duplex-Aluminium-Werkstoffs gemäß dem Konzept der Erfindung;2 shows a schematic representation of a spray compacting device for applying a Duplex aluminum material according to the concept of the invention;
Fig. 3: zeigt eine schematisch erläuternde Darstellung der Flugphase der ersten Werkstoffkomponente in3 shows a schematic explanatory illustration of the flight phase of the first material component in FIG
Form von reinem Aluminium und der zweiten Werkstoffkomponente in Form eines Aluminium/CNT- Komposits;Form of pure aluminum and the second material component in the form of an aluminum / CNT composite;
Fig. 4: zeigt ein beispielhaftes Schliffbild eines Duplex-Aluminium-Gefüges in einem Partikel einer zweiten Werkstoffkomponente in Form einer Al/CNT- Komposits mit deutlich zu erkennenden CNT-Phasen innerhalb der Aluminium-Matrix;4 shows an exemplary micrograph of a duplex aluminum microstructure in a particle of a second material component in the form of an Al / CNT composite with clearly recognizable CNT phases within the aluminum matrix;
Fig. 5 bisFig. 5 to
Fig. 9: zeigen die Ausgangsprodukte und fertige Werkstoffkomponenten durch ein Mikroskop gesehen, jeweils in starker Vergrößerung;Fig. 9: show the starting materials and finished material components viewed through a microscope, each at high magnification;
Fig. 5: zeigt eine Mischung von Aluminiumpartikeln und CNT-Agglomeraten vor dem mechanischen Legieren zur Bildung einer bevorzugten zweiten Werkstoffkomponente in Vergrößerung. Die hellen Aluminium- Partikel sind mit (1) bezeichnet. Die dunklenFig. 5: shows a mixture of aluminum particles and CNT agglomerates prior to mechanical alloying to form a preferred second material component in magnification. The bright aluminum particles are denoted by (1). The dark ones
CNT-Agglomerate sind mit (2) bezeichnet;CNT agglomerates are designated (2);
Fig. 6: zeigt in Vergrößerung eine bevorzugte zweite Werkstoffkomponente in Pulver oder Partikelform nach dem mechanischen Legieren. Es sind keine freien CNT sichtbar. Alle CNT sind in den Aluminiumpartikeln, die vielfach deformiert, gebrochen und verschweißt worden sind, aufgenommen; Fig. 7: zeigt den Schnitt durch ein Partikel einer bevorzugten zweiten Werkstoffkomponente in Form eines Al/CNT-Komposits. Innerhalb des Partikels des Werkstoffes ist eine Schichtstruktur, resp. es sind Lagen, erkennbar. Es sind dies die Schichten oder Lagen von wechselweise im Bild grau getöntem Aluminiummetall und hell/dunklen linienförmigen Einlagerungen von CNT sichtbar;Fig. 6: shows in enlargement a preferred second material component in powder or particle form after mechanical alloying. There are no visible CNTs. All CNTs are contained in the aluminum particles, which have been deformed, broken and welded many times; Fig. 7: shows the section through a particle of a preferred second material component in the form of an Al / CNT composite. Within the particle of the material is a layer structure, resp. they are layers, recognizable. These are the layers or layers of mutually gray aluminum aluminum tinted in the picture and light / dark line-shaped deposits of CNT visible;
Fig. 8: zeigt den Schnitt durch ein anderes Partikel einer bevorzugten zweiten Werkstoffkomponente in Form eines Al/CNT-Komposits. Innerhalb eines Partikels des Werkstoffes ist eine Schichtstruktur, resp. es sind Lagen, erkennbar. Es sind dies die8 shows the section through another particle of a preferred second material component in the form of an Al / CNT composite. Within a particle of the material is a layer structure, resp. they are layers, recognizable. These are the ones
Schichten oder Lagen von wechselweise Aluminiummetall (3), als helle Struktur und CNT (4) als dunkle linienförmige Einlagerungen im Aluminium sichtbar. Gegenüber dem Werkstoff gemäß Fig. 7 weist der Werkstoff in Fig. 9 geringere Anteile an CNT auf, die durch dickere Lagen von Aluminium getrennt sind. Die grauen Flächen (5), welche die Partikel umgeben, bilden das Harz ab, in welches der Werkstoff zur mikroskopischen Aufnahme einge- bettet ist;Layers or layers of alternatively aluminum metal (3), visible as a light structure and CNT (4) as dark linear deposits in the aluminum. Compared with the material according to FIG. 7, the material in FIG. 9 has smaller proportions of CNT, which are separated by thicker layers of aluminum. The gray areas (5) surrounding the particles depict the resin in which the material is embedded for microscopic recording;
Fig. 9: zeigt eine Schwammstruktur aus CNT, wie sie beispielsweise zur Herstellung vorliegend erfindungsgemäßer Werkstoffe eingesetzt werden kann, in einer Elektronenmikroskopie-Aufnahme. Auch eingesetzt werden kann eine derartige Schwammstruktur z.B. im Pressgießverfahren; Fig. 10: illustriert schematisch die beim mechanischen Legieren auftretenden grundsätzlichen Prozesse von Brechen, Stapeln und Schweißen, was bei hochfrequenter vielmaliger Wiederholung im Rahmen eines Hochenergie-Mahlverfahrens zu einer so genannten9 shows a sponge structure made of CNT, as it can be used, for example, for the production of presently inventive materials in an electron micrograph. Also can be used such a sponge structure, for example in the pressure casting process; FIG. 10: schematically illustrates the fundamental processes of breaking, stacking and welding occurring during mechanical alloying, which in the case of high-frequency multiple repetition in the context of a high-energy milling process becomes a so-called
„Severe Pastic Deformation" der beteiligten Materialien führt - im Ergebnis zu Materialien der zweiten Werkstoffkomponente wie sie in Fig. 6 bis Fig. 8 beispielhaft dargestellt ist;As a result, "Severe Pastic Deformation" of the materials involved results in materials of the second material component, as exemplified in FIGS. 6 to 8;
Fig. 11: zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Sprühkompaktiervorrich- tung zur Aufbringung eines Duplex-Aluminium- Werkstoffs gemäß dem Konzept der Erfindung;11 shows a schematic representation of a further embodiment of a spray compacting device for applying a duplex aluminum material according to the concept of the invention;
Fig. 12: zeigt einen Volumenanteilseffekt von harter und weicher Komponente bezüglich der Zugfestigkeit und Elongation in Abhängigkeit vom Volumenanteil des harten Materials in Prozent des fertigen Duplex-Aluminium-Werkstoffs;Fig. 12: shows a volume fraction effect of hard and soft components in terms of tensile strength and elongation versus percent by volume of the hard material in percent of the finished duplex aluminum material;
Fig. 13: zeigt die CNT-Gehaltsabhängigkeit von Zugfestigkeit und Elongation in Abhängigkeit des CNT- Gehalts in Gew-% von einem Aluminiumwerkstoff wie er insbesondere für eine härtere zweite Werkstoffkomponente gemäß dem Konzept der Erfindung verwendet werden kann;13 shows the CNT content dependence of tensile strength and elongation as a function of the CNT content in% by weight of an aluminum material as it can be used in particular for a harder second material component according to the concept of the invention;
Fig. 14: zeigt die Elektronenmikroskopieaufnahme eines Schliffbildes eines bevorzugten Duplex-Aluminium-14 shows the electron micrograph of a micrograph of a preferred duplex aluminum
Werkstoffs wie er unter Nutzung eines vorteilhaften Sprühkompaktierverfahrens gemäß dem Konzept der Erfindung erhalten wurde; Fig. 15: zeigt ein typisches Rissbild aus einer elektro¬ nenmikroskopischen Aufnahme bei einer Zugprobe eines aus dem erfindungsgemäßen Duplex-Aluminium- Werkstoff hergestellten Zugstabes.Material obtained using an advantageous spray compacting method according to the concept of the invention; Fig. 15: shows a typical plan view image from an electrostatic ¬ nenmikroskopischen intake in a tensile test of a tie-rod produced from the inventive duplex aluminum material.
Beispiele :Examples:
Durch mechanisches Legieren eines Pulvers aus reinem Aluminium und CNT durch hochenergetisches mahlen in einer Kugelmühle, wobei eine Kugelgeschwindigkeit von über 11 m/s erreicht wird, werden durch verschiedene Mahldauer verschiedene Werkstoffe hergestellt. Die Werkstoffe werden in einem Pulverextrusionsverfahren weiterverarbeitet und es wird eine Reihe von stabförmigen Probekörpern hergestellt. Die Probekörper werden den in der Tabelle aufgeführten Prüfungen unterzogen. Die Temperaturangabe in der Tabelle bedeutet die Verarbeitungstemperatur während dem Extrusionsver- fahren. Die Probekörper enthalten 6 Gew.-% CNT. Die Zeitangaben 30, 60 und 120 min geben die Mahldauer beim mechanischen Legieren zur Herstellung der Werkstoffe an. Beispiel 1 ist ein Vergleichsversuch mit reinem Aluminium, ohne CNT. By mechanically alloying a powder of pure aluminum and CNT by high-energy milling in a ball mill, reaching a ball speed of over 11 m / s, different materials are produced by different grinding time. The materials are further processed in a powder extrusion process and a series of rod-shaped specimens is produced. The specimens are subjected to the tests listed in the table. The temperature in the table indicates the processing temperature during the extrusion process. The test specimens contain 6% by weight of CNT. The times 30, 60 and 120 min indicate the grinding time during mechanical alloying for the production of the materials. Example 1 is a comparative experiment with pure aluminum, without CNT.
Beispiel Nr. Stoff/ Zugfestigkeit Härte Elast. -Example No. Fabric / Tensile Hardness Elast. -
Mahldauer N/mm2 Brinell Modul*Grinding time N / mm 2 Brinell module *
KN/mm2 KN / mm 2
Literatur, reines Al 70-100 35,9 70Literature, pure Al 70-100 35.9 70
(bulk)(Bulk)
Bsp. 1, reines Al, 138-142 40,1 71-81Ex 1, pure Al, 138-142 40.1 71-81
Bsp. 2, 30min, 222-231 66,4 98-101Ex. 2, 30min, 222-231 66.4 98-101
Bsp. 3, 60min, 236-241 71,1 71-78Ex. 3, 60min, 236-241, 71.1, 71-78
Bsp. 4, 120min, 427-471 160,2 114-125Ex 4, 120min, 427-471 160.2 114-125
*Elastizitätsmodul*Modulus of elasticity
Es ist aus der Tabelle ersichtlich, dass sich die Zugfestigkeit und Härte jeweils um ca. 400% erhöht. Die Werte können durch den Gehalt an CNT im Werkstoff und den Mahl- prozess, wie die Mahldauer, zur Herstellung des Werkstoffes gesteuert werden. Der Elastizitätsmodul kann sich um 80% erhöhen. Der Elastizitätsmodul kann durch die Mahldauer während des mechanischen Legierens bei der Herstellung des Werkstoffes und durch die Verarbeitungstemperatur beim Extrusionsverfahren beeinflussen.It can be seen from the table that the tensile strength and hardness each increased by about 400%. The values can be controlled by the content of CNT in the material and the grinding process, such as the grinding time, for the production of the material. The modulus of elasticity can increase by 80%. The modulus of elasticity can be affected by the milling time during mechanical alloying in the production of the material and by the processing temperature in the extrusion process.
Fig. 1 zeigt eine Reihe von Zugfestigkeits- /Duktilitätskurven betreffend eine zweite Werkstoffkompo- nente in Form einer innigen Mischung eines Al/CNT-Komposits im Vergleich zu Reinaluminium (Al + 0 % CNT) . Die Zugfestigkeit darstellenden höchsten Punkte solcher Kurven sind vorliegend als „stress/strain limit" bezeichnet und zeigen, dass - beispielsweise im Fall eines aluminiumbasierten Kom- posits mit 8% CNT (Al + 8% CNT) - die Zugfestigkeit eines solchen Komposits um nahezu den Faktor 5 oberhalb der Zugfestigkeit von Reinaluminium liegt. Darunter sind Zugfes- tigkeitswerte mit geringeren CNT-Anteilen erzielbar (z.B. Al +6% CNT oder Al + 4% CNT) bei welchen Komposits auch gewährleistet ist, dass die Duktilität dennoch vergleichsweise hoch ist. Aluminiumbasierende Komposits mit geringerem CNT-Anteil haben auch den Vorteil, dass eine Extrusionstem- peratur vergleichsweise gering ist.1 shows a number of tensile strength / ductility curves relating to a second material component in the form of an intimate mixture of an Al / CNT composite compared to pure aluminum (Al + 0% CNT). The tensile strength representing highest points of such curves are referred to herein as "stress / strain limit" and show that, for example, in the case of an aluminum-based composite with 8% CNT (Al + 8% CNT), the tensile strength of such a composite is almost a factor of 5 above the tensile strength of pure aluminum. Below this, tensile strength values with lower CNT contents are achievable (eg Al + 6% CNT or Al + 4% CNT) in which composites it is also ensured that the ductility is nevertheless comparatively high. Aluminum-based composites with a lower CNT content also have the advantage that an extrusion temperature is comparatively low.
Fig. 2 zeigt das Schema einer Sprühkompaktiervorrichtung 11, bei der beispielsweise in einem Tiegel 12 als Schmelze 13 vorliegendes Reinaluminium einer Gießwanne 14 zugeführt werden kann, um anschließend in einer die Flüssigkeit ato- misierenden Sprühdüse 15 in feinstverteilte Tröpfchen einem ersten Strahl 16 mit zweckmäßig gewähltem Sprühkegel zugeführt zu werden. Ein vorliegend nicht dargestellter - in der Regel kollinear oder winklig leicht abweichender - se- parater Strahl sprüht Pulverpartikel der zweiten Werkstoffkomponente, vorliegend in Form eines Reinaluminium/CNT- Komposits in den Sprühkegel des ersten Sprühstrahls 6. Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Wolke aus flüssigen Reinaluminiumtröpfchen 17 und dem Komposit von Al/CNT- Teilchen 18 in teilweise aufgeschmolzenem Zustand 19 erreichen mit einer geeigneten Aufprallgeschwindigkeit 20 das Substrat 21 und erstarren dort sofort zu einem Probenkörper 22.2 shows the diagram of a spray compacting apparatus 11, in which pure aluminum present in a crucible 12, for example, can be fed to a tundish 14 and then into a spray nozzle 15 atomizing the liquid to a first jet 16 with suitably selected droplets Be fed spray cone. A present, not shown - usually collinear or slightly angled slightly - separate beam sprays powder particles of the second material component, present in the form of a pure aluminum / CNT composite in the spray cone of the first spray jet 6. The cloud shown schematically in Fig. 3 from liquid pure aluminum droplets 17 and the composite of Al / CNT particles 18 in partially melted state 19 reach the substrate 21 with a suitable impact speed 20 and solidify there immediately to a sample body 22.
Ein Schliffbild eines Partikels einer zweiten Werkstoffkorn- ponente in Form eines Al/CNT-Komposits zur Herstellung eines solchen Probenkörpers ist in Fig. 4 gezeigt. Darin ist deutlich an den hellen Stellen die erhaltenen Gefügestruk- turen der CNT-Teile innerhalb der Aluminiumplättchen zu erkennen. Solche hochfesten Gefügebestandteile mit integriertem CNT sind von dunkel zu erkennenden Teilen einer weichen Gefügestruktur aus Reinaluminium umgeben. Insgesamt wird dadurch ein Aluminium-Duplex-Werkstoff zur Verfügung gestellt, der eine erste Werkstoffkomponente mit vergleichs¬ weise hoher Duktilität und niedriger Zugfestigkeit mit einer zweiten Werkstoffkomponente mit vergleichsweise niedriger Duktilität und hoher Zugfestigkeit als Phasengemisch kombiniert .A micrograph of a particle of a second material component in the form of an Al / CNT composite for producing such a sample is shown in FIG. 4. This clearly shows in the light areas the microstructure identify the CNT parts within the aluminum plates. Such high-strength structural components with integrated CNT are surrounded by dark-recognizable parts of a soft microstructure made of pure aluminum. Overall, this provides an aluminum duplex material which combines a first material component with comparatively high ductility and low tensile strength with a second material component with comparatively low ductility and high tensile strength as a phase mixture.
Fig. 10 veranschaulicht die wesentlichen bei einem Hochenergie-Mahlverfahren zum mechanischen Legieren auftretenden Prozesse - nämlich Schweißen, Brechen und Stapeln - welche letztendlich zu einer starken plastischen Deformation der beteiligten Materialien führen (severe plastic de- formation) . Bei Anwendung des Hochenergie-Mahlverfahrens auf ein Gemisch aus bevorzugt härterer Aluminiumlegierung mit CNT-Material führt dies im Ergebnis zu einer sehr star- ken Verfestigung der beteiligten Materialien durch Mahlen und im Ergebnis zu einer besonders bevorzugten zweiten (härteren) Werkstoffkomponente gemäß dem Konzept der Erfindung. Die Verfestigung erfolgt dabei im Wesentlichen gemäß der bekannten HALL-PETCH-Beziehung. Diese besagt, dass je kleiner der Durchmesser der beteiligten Partikel ist, desto größer ist auch die maximal erreichbare Zugfestigkeit. Konkret soll gemäß der HALL-PETCH-Beziehung die maximal erreichbare Zugfestigkeit P umgekehrt proportional zur Wurzel der beteiligten Partikeldurchmesser sein, wobei die Gültig- keit der Beziehung jedenfalls für Partikeldurchmesser unterhalb von 1 μm beginnt. Das Hochenergie-Mahlen von Aluminiumwerkstoffen wie beispielsweise Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung vergleichsweise hoher Härte mit CNT hat nicht nur den an Fig. 10 verdeutlichten Vorteil, dass der CNT-Anteil innig in das Aluminiummaterial eingearbeitet wird, sondern zusätzlich tritt der Vorteil auf, dass CNT als Mahlhilfsmittel dient. Gemäß einer besonders bevorzug- ten Ausfϋhrungsform kann dadurch der Anteil von bisher üblichen Mahlhilfsmitteln wir Stearin-Säure o.dgl. verringert werden oder ganz entfallen.FIG. 10 illustrates the essential processes involved in a high energy milling process for mechanical alloying - namely welding, breaking and stacking - which ultimately lead to severe plastic deformation of the materials involved (severe plastic deformation). When applying the high energy milling method to a mixture of preferably harder aluminum alloy with CNT material, this results in a very strong solidification of the materials involved by grinding and as a result to a particularly preferred second (harder) material component according to the concept of the invention , The solidification takes place essentially according to the known HALL-PETCH relationship. This means that the smaller the diameter of the particles involved, the greater the maximum achievable tensile strength. Specifically, according to the HALL-PETCH relationship, the maximum achievable tensile strength P should be inversely proportional to the root of the particle diameter involved, with the validity of the relationship starting in any case for particle diameters below 1 μm. The high energy milling of aluminum materials such as pure aluminum or an aluminum alloy of relatively high hardness with CNT has not only the advantage illustrated in FIG. 10 that the CNT content is intimately incorporated into the aluminum material, but in addition there is the advantage that CNT serves as a grinding aid. According to a particularly preferred embodiment, the proportion of hitherto customary grinding aids, such as stearic acid or the like, can thereby be reduced. be reduced or eliminated altogether.
Fig. 11 zeigt - in Abwandlung eines in Fig. 2 schematisch dargestellten Verfahrens zur Herstellung eines Duplex- Aluminium-Werkstoffs - schematisch ein Herstellungsverfahren, bei dem zwei nicht kollineare Sprühstrahlen 31, 32 zur Aufbringung der ersten und zweiten Werkstoffkomponente zum Einsatz kommen. Übrige gleiche Teile oder Teile mit glei- eher Funktion der Fig. 11 und Fig. 2 und Fig. 3 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Vorliegend kommen zwei Pulverinjektoren 41, 42 zur pulverförmigen Einbringung der zweiten Werkstoffkomponente in einen Trägerstrahl 31, 32 aus flüssigen Aluminiumtröpfchen 17 zum Einsatz. Dabei kann der Winkel zwischen dem ersten Sprühstrahl 31 und 32 - vorliegend durch Verstellung des zweiten Sprühstrahls 32 - verändert werden. Ebenso kann vorliegend die Pulvermenge zur Einbringung in den ersten und zweiten Sprühstrahl 31, 32 je nach Bedarf eingestellt werden. Gegebenenfalls kann in einer Abwandlung der erste Sprühstrahl 31 frei von einer Pulvereinbringung sein, d.h. lediglich aus Aluminiummaterial, wie beispielsweise Reinaluminium oder legierten Aluminium, gespeist sein.Fig. 11 shows - in a modification of a method shown schematically in Fig. 2 for producing a duplex aluminum material - schematically a manufacturing method in which two non-collinear spray jets 31, 32 are used for applying the first and second material components. Other identical parts or parts with the same function as in FIG. 11 and FIG. 2 and FIG. 3 are provided with the same reference numerals. In the present case, two powder injectors 41, 42 are used for the powdery introduction of the second material component into a carrier jet 31, 32 made of liquid aluminum droplets 17. In this case, the angle between the first spray jet 31 and 32 - in this case by adjusting the second spray jet 32 - be changed. Likewise, in the present case, the amount of powder for introduction into the first and second spray jet 31, 32 can be adjusted as needed. Optionally, in a modification, the first spray jet 31 may be free of powder delivery, i. be fed only from aluminum material, such as pure aluminum or alloyed aluminum.
Durch solche und andere Anordnungen kann ein vorteilhafter Billet eines Aluminium-Duplex-Werkstoffs hergestellt werden. Zum einen wird nämlich erkannt, dass unter Verwendung lediglich von pulverförmigem CNT kein Billet entstehen wür- de. Zum anderen wurde erkannt, dass bei einer starken Er¬ hitzung von CNT, insbesondere oberhalb von 6000C, Alumini¬ um-Karbid entstehen würde. Letzteres würde dazu führen, dass ein hergestellter Werkstoff stark anfällig gegenüber einem Splittervorgang sein würde. Durch Einbringen dieser pulverförmigen CNT-haltigen zweiten Werkstoffkomponente in eine flüssige Phase eines Sprühstrahls mit flüssigen Aluminiumtröpfchen 17, vorzugsweise aus Reinaluminium oder einer härteren Aluminiumlegierung, wird dies unterbunden. Die kurze Flugzeit verhindert außerdem gegenläufige chemische Reaktionen. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass zwei Sprühdüsen bzw. zwei Sprühstrahlen zur Bildung des Duplex-Aluminiumkörpers verwendet werden.By such and other arrangements, an advantageous billet of aluminum duplex material can be made. On the one hand, it is recognized that no billet would be produced using only powdered CNT. de. Secondly, it was recognized that in a strong ¬ He overheating of CNT, in particular above 600 0 C, Alumini ¬ would arise to carbide. The latter would mean that a manufactured material would be highly susceptible to splintering. By introducing this powdery CNT-containing second material component into a liquid phase of a spray jet with liquid aluminum droplets 17, preferably of pure aluminum or a harder aluminum alloy, this is prevented. The short flying time also prevents adverse chemical reactions. It has proven to be particularly advantageous that two spray nozzles or two spray jets are used to form the duplex aluminum body.
In einem vorteilhaften anschließenden Herstellungsschritt kann eine weitere Verdichtung durch beispielsweise einen Extrusionsvorgang o.dgl. am Billet erfolgen.In an advantageous subsequent production step, a further compression by, for example, an extrusion process or the like. done at the billet.
Fig. 13 zeigt, beispielhaft, das Zugfestigkeits- und Elon- gationsverhalten einer zu bevorzugenden Aluminium- Werkstoffkomponente in Abhängigkeit vom CNT-Gehalt zur Bildung der (härteren) zweiten Werkstoffkomponente gemäß dem Konzept der Erfindung. Als Ausgangslegierung kann beispielsweise eine Aluminiumlegierung der 7000er-Serie dienen deren Elongation bei niedrigem CNT-Gehalt maximal ist. Es hat sich ein CNT-Gehalt bei der zweiten Werkstoffkomponente als besonders vorteilhaft erwiesen derart, dass eine Abnahme der Elongation im Bereich zwischen 10 % bis 30 % vorliegt. Die Zugfestigkeit liegt dabei vorteilhaft ebenfalls im oberen Zugfestigkeitsbereich, insbesondere zwischen dem maximalen Zugfestigkeitswert und dem Kreuzungspunkt mit der Elongationskurve. Es hat sich herausgestellt, dass sich ein CNT-Gehalt im Bereich des Kreuzungsbereichs zwischen Zugfestigkeitskurve und Elongationskurve vorteilhaft ist.13 shows, by way of example, the tensile strength and elongation behavior of a preferred aluminum material component as a function of the CNT content for forming the (harder) second material component according to the concept of the invention. The starting alloy used may be, for example, an aluminum alloy of the 7000 series whose elongation is maximal at a low CNT content. A CNT content in the second material component has proved to be particularly advantageous such that a decrease in the elongation in the range between 10% to 30% is present. The tensile strength is advantageously also in the upper tensile strength range, in particular between the maximum tensile strength value and the point of intersection with the elongation curve. It turned out to be a CNT content in the region of the crossing region between tensile strength curve and elongation curve is advantageous.
Fig. 12 zeigt, beispielhaft, die Entwicklung der Zugfestig- keit und Elongation bei einem fertigen Duplex- Aluminiumwerkstoff mit zunehmendem Anteil der (härteren) zweiten Werkstoffkomponente in Prozent des fertigen Duplex- Aluminiumwerkstoffs . Dadurch wird verdeutlicht, dass praktisch jeder beliebige vorteilhafte hohe Wert einer Zugfes- tigkeit bei dennoch hoher maximaler Elongation durch Variieren des Volumenanteils des harten Materials in Form der zweiten härteren Werkstoffkomponente eingestellt werden kann.FIG. 12 shows, by way of example, the development of the tensile strength and elongation in a finished duplex aluminum material with increasing proportion of the (harder) second material component in percent of the finished duplex aluminum material. This makes it clear that virtually any advantageous high value of a tensile strength can nevertheless be set by varying the volume fraction of the hard material in the form of the second, harder material component while maintaining the maximum elongation.
Fig. 14 verdeutlicht die feine, inhomogene, gleichwohl gleichmäßige Verteilung von härterer zweiter Werkstoffkomponente und weicherer erster Werkstoffkomponente in einem fertigen Duplex-Aluminiumwerkstoff . Die harte Phase des Duplex-Aluminiumwerkstoffs ist in den hellen Bereichen zu erkennen. Die weiche Phase des Duplex-Aluminiumwerkstoffes ist in den dunklen Bereichen zu erkennen.Fig. 14 illustrates the fine, inhomogeneous, but even distribution of harder second material component and softer first material component in a finished duplex aluminum material. The hard phase of the duplex aluminum material can be seen in the bright areas. The soft phase of the duplex aluminum material is visible in the dark areas.
Fig. 15 zeigt im unteren vergrößerten Bereich ein typisches Rissbild eines im oberen Teil der Fig. 15 gezeigten Zugsta- bes. Mit Hinweis auf die Markierung CNT-I und CNT-2 sind deutlich im Aluminiummaterial eingebettete CNTs unterschiedlicher Länge zu erkennen.15 shows a typical crack pattern of a tensile layer shown in the upper part of FIG. 15 in the lower enlarged area. With reference to the marking CNT-I and CNT-2, CNTs of different lengths embedded clearly in the aluminum material can be seen.
Zusammenfassend sieht die Erfindung die Verarbeitung eines Komposits-Werkstoffs in Partikel- oder Pulverform vor, enthaltend Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) , wobei im Werkstoff beispielsweise ein Metall in Lagen in einer Dicke von 10 nm bis 5001OOO nm abwechslungsweise mit Lagen aus CNT in einer Dicke von 10 nm bis 1001OOO nm geschichtet ist. Der Werkstoff wird durch mechanisches Legieren, d.h. durch wiederholte Deformation, Brechen und Schweißen von Metallpartikeln und CNT-Partikeln, vorzugsweise durch Mahlen in einer Kugelmühle, enthaltend eine Mahlkammer und Mahlkugeln als Mahlkörper sowie einen Drehkörper zur Erzeugung hochenergetischer Kugelkollisionen, hergestellt. Zur Herstellung von Duplex-Aluminium wird eine Methode beschrieben, bei der ein Material des Composits-Werkstoffs und einer Aluminiumlegie- rung mit unterschiedlichen Eigenschaften in einms Ospray- Prozess legiert werden. In summary, the invention provides the processing of a composite material in particle or powder form, containing carbon nanotubes (CNT), wherein in the material, for example, a metal in layers in a thickness of 10 nm to 500 1 000 nm alternately with layers of CNT in a Thickness of 10 nm to 100 1 000 nm layered. The material is produced by mechanical alloying, ie by repeated deformation, breaking and welding of metal particles and CNT particles, preferably by ball milling, containing a grinding chamber and grinding balls as grinding media and a rotating body for generating high-energy ball collisions. For the production of duplex aluminum, a method is described in which a material of the composite material and an aluminum alloy with different properties are alloyed in a single ospray process.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Duplex-Aluminium-Werkstoff auf Basis von Aluminium mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase,- der in einem Sprühkompaktierverfahren hergestellt ist, mit einer wenigstens über einen ersten Strahl eingebrachten ersten Werkstoffkomponente in Form einer Alumini- um-basierten Legierung zur Bildung der ersten Phase und einer wenigstens über einen zweiten Strahl eingebrachten zweiten Werkstoffkomponente zur Bildung der zweiten Phase dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Werkstoffkomponente in Form eines Alumini- um-basierten Kompositwerkstoffs, aufweisend Aluminium und/oder eine Aluminium-basierte Legierung einerseits und einen ein Nichtmetall enthaltenden Werkstoff andererseits, gebildet ist, wobei die erste Werkstoffkomponente im Vergleich zur zweiten Werkstoffkomponente, jeweils als separater Werkstoff, eine höhere Elongation (Duktilität) und/oder niedrigere Zugfestigkeit aufweist.1. A duplex aluminum material based on aluminum having a first phase and a second phase, - is prepared in a Sprühkompaktierverfahren, with at least introduced via a first beam first material component in the form of an aluminum-based alloy to form the the first phase and a second material component introduced at least via a second beam to form the second phase, characterized in that the second material component in the form of an aluminum-based composite material, comprising aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and a non-metal containing Material on the other hand, is formed, wherein the first material component compared to the second material component, each as a separate material, a higher elongation (ductility) and / or lower tensile strength.
2. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Werkstoffkomponente im Vergleich zur ersten Werkstoffkomponente, jeweils als separater Werkstoff, eine niedrigere Elongation (Duktilität) und/oder höhe- re Zugfestigkeit aufweist.2. duplex aluminum material according to claim 1, characterized in that the second material component compared to the first material component, each as a separate material, a lower elongation (ductility) and / or higher tensile strength.
3. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass die erste Werkstoffkomponente, als separater Werk¬ stoff, eine Zugfestigkeit (Stress) von weniger als 100MPa, insbesondere weniger als 70MPa, und/oder eine maximale Elongation (Duktilität, Strain) von mehr als 15%, insbesondere mehr als 20%, aufweist.3. duplex aluminum material according to claim 1 or 2, since ¬ characterized in that the first material component, as a separate work ¬ material, a tensile strength (stress) of less than 100MPa, especially less than 70MPa, and / or a maximum elongation (ductility Strain) of more than 15%, in particular more than 20% has.
4. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Werkstoffkomponente, als separater Werkstoff, eine Zugfestigkeit von mehr als 500 MPa, insbesondere mehr als 1000 MPa, und/oder eine maximale Elongation (Duktilität) von weniger als 3%, insbesondere weniger als 1%, aufweist.4. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second material component, as a separate material, a tensile strength of more than 500 MPa, in particular more than 1000 MPa, and / or a maximum elongation (ductility) less than 3%, in particular less than 1%.
5. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Werkstoffkomponente in Form von reinem AIu- minium mit unvermeidlichen Verunreinigungen und/oder Zusätzen gebildet ist.5. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first material component in the form of pure aluminum is formed with unavoidable impurities and / or additives.
6. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Werkstoffkomponente in Form einer Aluminium- Legierung mit unvermeidlichen Verunreinigungen und/oder Zusätzen gebildet ist.6. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first material component is formed in the form of an aluminum alloy with unavoidable impurities and / or additives.
7. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Werkstoffkomponente in Form eines, insbesondere innigen, Gemisches, vorzugsweise in Form eines durch mechanisches Legieren gebildeten Gemisches aus reinem Aluminium und/oder einer Aluminumbasierten Le- gierung einerseits und CNT andererseits gebildet ist.7. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 6, characterized in that the second material component is in the form of a, in particular intimate, mixture, preferably in the form of a mixture formed by mechanical alloying of pure aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and CNT on the other hand.
8. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Werkstoffkomponente wei- ter einen Kunststoff und/oder Polymer und/oder einen hochhitzbeständigen Bestandteil, insbesondere einen Graphit- und/oder Silizium-Bestandteil aufweist.8. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first and / or the second material component further ter a plastic and / or polymer and / or a high heat resistant component, in particular a graphite and / or Has silicon component.
9. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strahl ein mit dem ersten Strahl identischer, kollinearer oder vorzugsweise separater Strahl ist, insbesondere ein Sprühstrahl ist.9. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 8, characterized in that the second beam is an identical with the first beam, collinear or preferably separate beam, in particular a spray jet.
10. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Werkstoffkomponente in geschmolzenem Zustand in den ersten Strahl eingebracht ist, insbesondere als flüssige Tröpfchen, vorzugsweise durch eine Düse versprüht in den ersten Strahl eingebracht ist.10. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first material component is introduced in a molten state in the first jet, in particular as liquid droplets, preferably sprayed through a nozzle is introduced into the first beam.
11. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Werkstoffkomponente in pulverförmigem Zustand, vorzugsweise als Partikel, insbesondere als Na- nopartikel, in den zweiten Strahl eingebracht ist, insbesondere ohne Entmischung der Aluminium und/oder der Aluminium-basierten Legierung einerseits und des ein Nichtmetall enthaltenden Werkstoffs, vorzugsweise CNT, andererseits eingebracht ist.11. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 10, characterized in that the second material component in a powdery state, preferably as a particle, in particular as Na nopartikel is introduced into the second beam, in particular without segregation of the aluminum and / or the aluminum-based alloy on the one hand and the non-metal-containing material, preferably CNT, on the other hand is introduced.
12. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Werkstoffkomponente in pulverförmigem Zu- stand in den zweiten Strahl und/oder die zweite Werkstoffkomponente in geschmolzenem Zustand in den ersten Strahl eingebracht ist.12. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 11, characterized in that the first material component is introduced in the powdered state in the second beam and / or the second material component in a molten state in the first beam.
13. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstoff wenigstens ein Metall und/oder wenigstens ein Kunststoff in Lagen abwechslungsweise mit Lagen aus CNT geschichtet ist.13 duplex aluminum material according to one of claims 1 to 12, characterized in that in the material at least one metal and / or at least one plastic layered in layers alternately with layers of CNT.
14. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass, eine Partikelgröße der zweiten Werkstoffkomponente von 0,5 nm bis 2000 nm, vorteilhaft von 1 μm bis 1000 μm, beträgt .14. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 13, characterized in that, a particle size of the second material component of 0.5 nm to 2000 nm, advantageously from 1 .mu.m to 1000 .mu.m.
15. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Lagen eines Metalls oder Kunststoffes eine Dicke von 10 nm bis 50O1OOO nm, vorteilhaft von 20 nm bis 200'0OO nm, aufweisen. 15. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 14, characterized in that individual layers of a metal or plastic have a thickness of 10 nm to 50O 1 000 nm, advantageously from 20 nm to 200'0OO nm.
16. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Dicken von CNT enthaltenen Lagen von 10 nm bis 1001OOO nm, vorteilhaft von 20 nm bis 50*000 nm, betragen.16. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 15, characterized in that thicknesses of CNT contained layers of 10 nm to 100 1 000 nm, preferably from 20 nm to 50 * 000 nm amount.
17. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Partikel des Werkstoffes wenigstens ein Metall oder Kunststoff in Lagen abwechslungsweise mit Lagen aus CNT in gleichmäßig angeordneter Lagendicke geschichtet sind.17 duplex aluminum material according to one of claims 1 to 16, characterized in that within the particles of the material at least one metal or plastic layers are layered alternately with layers of CNT in uniformly arranged layer thickness.
18. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Partikel des Werkstoffes wenigstens ein Metall oder Kunststoff in Lagen abwechslungsweise mit Lagen aus CNT geschichtet sind, wobei innerhalb des Partikels Bereiche mit hoher Konzentration an CNT- Lagen und niedriger Konzentration an Metall- oder Kunststofflagen vorhanden sind.18. duplex aluminum material according to any one of claims 1 to 17, characterized in that within the particles of the material at least one metal or plastic layers are stacked alternately with layers of CNT, within the particle areas with high concentration of CNT Layers and low concentration of metal or plastic layers are present.
19. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Partikel des Werkstoffes hindurch mehrere CNT-Lagen in Teilbereichen sich berühren und durch den Partikel hindurch ununterbrochen CNT-Durchdringungen ausbilden. 19 duplex aluminum material according to one of claims 1 to 18, characterized in that touch through the particles of the material through several CNT layers in subregions and form through the particles continuously CNT penetrations.
20. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalle, zusätzlich zu Aluminium oder dessen Le- gierungen, Eisen- und Nichteisenmetalle, Edelmetalle, zweckmäßig Eisenmetalle aus der Reihe des Eisens, Kobalts und Nickels, deren Legierungen sowie Stähle, Nichteisenmetallen, zweckmäßig Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen, Metalle aus der Reihe Vanadium, Chrom, Mangan, Kupfer, Zink, Zinn, Tantal oder Wolfram und Legierungen davon oder die Legierungen aus der Reihe von Messing und Bronze oder Metalle aus der Reihe Rhodium, Palladium, Platin, Gold und Silber, sortenrein oder in Mischung untereinander, enthalten sind.20. duplex aluminum material according to any one of claims 1 to 19, characterized in that as metals, in addition to aluminum or its alloys, iron and non-ferrous metals, precious metals, suitably ferrous metals from the series of iron, cobalt and nickel, their alloys, as well as steels, non - ferrous metals, suitably aluminum, magnesium and titanium and their alloys, metals from the series vanadium, chromium, manganese, copper, zinc, tin, tantalum or tungsten and alloys thereof or the alloys from the series of brass and bronze or Metals from the series rhodium, palladium, platinum, gold and silver, sorted or mixed with each other, are included.
21. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymere thermoplastische, elastische oder duroplastische Polymere, vorzugsweise Polyolefine, Cyc- loolefin-Copolymere, Polyamide, Polyester, Polyacryl- nitril, Polystyrole, Polycarbonate, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Styrol-Butadien-Copolymere, Acryl- nitril-Butadien-Copolymere, Polyurethane, Polyacrylate und Copolymere, Alkydharze, Epoxide, Phenol- Formaldehydharze, Harnstoff-Formaldehydharze, sortenrein oder im Gemisch untereinander enthalten sind.21. duplex aluminum material according to any one of claims 1 to 20, characterized in that as polymers thermoplastic, elastic or thermosetting polymers, preferably polyolefins, cycoolooler copolymers, polyamides, polyesters, polyacrylonitrile, polystyrenes, polycarbonates, polyvinyl chloride , Polyvinyl acetate, styrene-butadiene copolymers, acrylonitrile-butadiene copolymers, polyurethanes, polyacrylates and copolymers, alkyd resins, epoxies, phenol-formaldehyde resins, urea-formaldehyde resins, sorted or mixed with one another.
22. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die CNT einen Durchmesser von 0,4 nm bis 50 nm und eine Länge von 5 nm bis 5O1OOO nm aufweisen.22. duplex aluminum material according to one of claims 1 to 21, characterized in that the CNTs have a diameter of 0.4 nm to 50 nm and a length of 5 nm to 50 1 000 nm.
23. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die CNT 2- oder 3-dimensionale Gerüstkörper, aus Kohlenstoffnanoröhrchen darstellen, vorzugsweise Gerüstkörper mit Seitenlängen von 10 nm bis 50O00 nm.23 duplex aluminum material according to one of claims 1 to 22, characterized in that the CNT represent 2- or 3-dimensional scaffold body, made of carbon nanotubes, preferably scaffold body with side lengths of 10 nm to 50O00 nm.
24. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff Mengen an CNT von 0,1 bis 50 Gew.-%, bezogen auf den Werkstoff, zweckmäßig Mengen an CNT von 0,3 bis 40 Gew.-%, bevorzugt Mengen an CNT von 0,5 bis 20 Gew.-% und insbesondere Mengen an CNT von 1 bis 6 Gew.-% enthält.24. duplex aluminum material according to any one of claims 1 to 23, characterized in that the material amounts of CNT from 0.1 to 50 wt .-%, based on the material, expedient amounts of CNT from 0.3 to 40 Wt .-%, preferably amounts of CNT from 0.5 to 20 wt .-% and in particular amounts of CNT from 1 to 6 wt .-%.
25. Duplex-Aluminium-Werkstoff nach einem der Ansprüche25. duplex aluminum material according to any one of claims
1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass1 to 24, characterized in that
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung das Metall des Werkstoffes darstellt und der Werkstoff 0,5 bis 10 Gew.% CNT, bevorzugt 3 bis 6 Gew.-%, CNT enthält.Aluminum or an aluminum alloy is the metal of the material and the material contains 0.5 to 10 wt.% CNT, preferably 3 to 6 wt .-%, CNT.
26. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 25, aufweisend die Schritte - Verarbeiten von Anteilen von Aluminium und/oder einer Aluminium-basierten Legierung und ein Nichtmetall, insbesondere CNT, jeweils in Form von Granulaten, Partikeln, Fasern und/oder Pulvern durch mecha- nisches Legieren, um die zweite Werkstoffkomponente in Form eines Aluminium-basierten Kompositwerkstoffs, aufweisend Aluminium und/oder eine AIu- minium-basierte Legierung einerseits und einen ein Nichtmetall enthaltenden Werkstoff andererseits zur Verfügung zu stellen,26. A method for producing a duplex aluminum material according to any one of claims 1 to 25, comprising the steps - processing of proportions of aluminum and / or an aluminum-based alloy and a non-metal, in particular CNT, each in the form of granules, particles , Fibers and / or powders by mecha- alloying in order to provide the second material component in the form of an aluminum-based composite material comprising aluminum and / or an aluminum-based alloy on the one hand and a non-metal-containing material on the other hand,
Sprühkompaktieren des Duplex-Aluminium-Werkstoffs auf Basis von Aluminium mit einer ersten Phase und einer zweiten Phase, insbesondere im Rahmen eines OSPRAY-Prozesses, durchSpray-compacting the duplex aluminum material based on aluminum with a first phase and a second phase, in particular in the context of an OSPRAY process
Einbringen einer ersten Werkstoffkomponente in Form einer Aluminium-basierten Legierung zur Bildung der ersten Phase in wenigstens einem ersten StrahlIntroducing a first material component in the form of an aluminum-based alloy to form the first phase in at least one first beam
Einbringen der zweiten Werkstoffkomponente zur Bildung der zweiten Phase in wenigstens einem zweiten Strahl, wobeiIntroducing the second material component to form the second phase in at least one second jet, wherein
die erste Werkstoffkomponente im Vergleich zur zweiten Werkstoffkomponente, jeweils als separater Werkstoff, eine höhere Duktilität und/oder niedrigere Zugfestigkeit aufweist.the first material component compared to the second material component, each having a separate material, a higher ductility and / or lower tensile strength.
27. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoffs nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches Legieren durch wiederholte Deforma- tion, Brechen und Schweißen der Partikel aus Metall oder Kunststoff und Partikel aus CNT, vorzugsweise durch mechanisches Legieren in einer Kugelmühle enthaltend eine Mahlkammer und Mahlkugeln als Mahlkόr- per durch hochenergetische Kugelkollisionen, ausgeführt wird.27. A method for producing a duplex aluminum material according to claim 26, characterized in that a mechanical alloying by repeated deformation tion, breaking and welding of the particles of metal or plastic and particles of CNT, preferably by mechanical alloying in a ball mill containing a grinding chamber and grinding balls as Mahlkόr- per by high-energy ball collisions, is performed.
28. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoff nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kugelmühle eine Mahlkaminer mit einem zylinderförmigen, vorzugsweise kreiszylinderförmigen, Querschnitt aufweist und die Mahlkugeln durch die sich um ihre Zylinderachse drehende Mahlkammer bewegt und durch einen sich in Richtung der Zylinderachse in die Mahlkammer erstreckenden, mit einer Mehrzahl von Nocken ausgestatteten, angetriebenen Drehkörper beschleunigt werden.28. A method for producing a duplex aluminum material according to claim 26 or 27, characterized in that a ball mill has a Mahlkaminer with a cylindrical, preferably circular cylindrical, cross-section and moves the grinding balls through the rotating around its cylinder axis grinding chamber and by a in the direction of the cylinder axis in the grinding chamber extending, equipped with a plurality of cams, driven rotary body can be accelerated.
29. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoff nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Mahlkugeln wenigstens 6 m/s, insbesondere 11 m/s, beträgt und vorteilhaft die Geschwindigkeit der Mahlkugeln im Bereich von 6 bis 14 m/s, insbesondere 11 m/s bis 14 m/s, beträgt.29. A method for producing a duplex aluminum material according to any one of claims 26 to 28, characterized in that the speed of the grinding balls at least 6 m / s, in particular 11 m / s, and advantageously the speed of the grinding balls in the range of 6 up to 14 m / s, in particular 11 m / s to 14 m / s.
30. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoff nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahldauer 10 Stunden und weniger und die minimale Mahldauer 5 min beträgt und bevorzugt die Mahldauer zwischen 15 min und 5 Stunden, besonders be- vorzugt von 30 min bis 3 Stunden und insbesondere bis 2 Stunden beträgt. 30. A method for producing a duplex aluminum material according to any one of claims 26 to 29, characterized in that the grinding time is 10 hours and less and the minimum grinding time is 5 min and preferably the grinding time between 15 min and 5 hours, particularly preferably from 30 minutes to 3 hours and especially up to 2 hours.
31. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoffes nach einem der Ansprüche 26 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkörper, eine Mehrzahl von Nocken über die ganze Länge verteilt aufweist und sich vorteilhaft über die ganze Ausdehnung der Mahlkämmer in Zylinderachse erstreckt.31. A method for producing a duplex aluminum material according to any one of claims 26 to 30, characterized in that the rotary body, a plurality of cams distributed over the entire length and extends advantageously over the entire extent of the Mahlkämmer in the cylinder axis.
32. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoffes nach einem Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehreren unterschiedliche Werkstoffe gleichen oder verschiedenen Ausgangsmaterials und/oder Energieeintrags gemischt oder einer zweiten Mahlung oder mehreren Mahlungen unterzogen werden.32. A method for producing a duplex aluminum material according to any one of claims 26 to 31, characterized in that two or more different materials are mixed same or different starting material and / or energy input or subjected to a second grinding or more grinding.
33. Verfahren zur Herstellung eines Duplex-Aluminium- Werkstoffes nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein CNT-freies Metall oder Kunststoff und ein Werkstoff oder mehrere unterschiedliche Werkstoffe gleichen oder verschiedenen Ausgangsmaterials und/oder Energieeintrags, gemischt oder einer zweiten Mahlung oder mehreren Mahlungen unterzogen werden.33. A method for producing a duplex aluminum material according to any one of claims 26 to 32, characterized in that a CNT-free metal or plastic and one or more different materials same or different starting material and / or energy input, mixed or a second Grinding or multiple grinding are subjected.
34. Verwendung des Duplex-Aluminium-Werkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 33 für durch Sprühkompaktie- ren, thermische Spritzverfahren, Plasmasprühen, Extrusionsverfahren, Sinterverfahren, druckgesteuer- te Infiltrationsverfahren oder Pressgießen hergestellte Formkörper. 34. Use of the duplex aluminum material according to one of claims 1 to 33 for sprachenkompaktie- reindeer, thermal spraying, plasma spraying, extrusion processes, sintering process, pressure-controlled infiltration or compression molding molded body.
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