NL8220495A - Composieten van vellen met siliciumcarbidewhiskers. - Google Patents

Description

λ 8 ''?ÖA9 5

Composieten van vellen met siliciumcarbide-whiskers

Deze uitvinding betreft met siliciumcarbide versterkte vel-composieten, en meer in het bijzonder een werkwijze en het daaruit voortkomende produkt, waarbij siliciumcarbide-whiskers uniform op een 5 dun vel gedispergeerd en/of gedistribueerd worden.

Vele jaren werd al ingezien dat metalen, kunstharsen en andere matig sterke tot zwakke materialen met siliciumcarbide-whiskers versterkt kunnen worden. Deze whiskers zijn kleine vezeltjes die IQ met het metaalpoeder op het kunsthars tot een samen gesteld materiaal gemengd kunnen worden, of als bekleding op een dun vel metaal, kunsthars of keramiek aangebracht kunnen worden.

De siliciumcarbide-whiskers worden op bekende 15 wijzen verkregen, zoals door reactie van vercookst rij$tkaf (een afvalprodukt van de rljstproduktie) zoals het Amerikaanse octrooischrift 3.754.076 ons leert.

De whiskers, die vezels met anisotrope eigen-2q schappen zijn, hebben eigenschappen die benut worden om de mechanische eigenschappen van andere materialen te versterken en te verbeteren.

Hoewel de voordelen van het gebruik van deze whiskers wel bekend zijn was het moeilijk deze whis-25 kers goed met andere stoffen te mengen doordat ze aanvankelijk geagglomereerd zijn. De massa van de geagglomereerde whiskers zal bij mengen met andere materialen een niet-homogeen composiet met minder mechanische sterkte geven.

30 Om het maximale nut van versterken met whiskers te bereiken is het nodig ze grondig en uniform te dispergeren en/of te distribueren. Zo'n dispersie vergt een grondige ontagglomerering en mengen, maar 8220495 * 2 zonder noemerswaardige schade aan de whiskers.

Het was in de techniek bekend dat mengen van whiskers met een matrix-roateriaal en een niet-polair oplosmiddel dat een polymeer bindmiddel bevat tot 5 een lukrake verdeling van de whiskers in de matrix kan leiden. Dat leert ons het Amerikaanse octrooi-schrift 4.259.112.

Hoewel in het Amerikaanse octrooischrift 4.259.112 beweerd wordt dat dit tot een homogeen 10 composiet leidt is die homogeenheid niet vrij van agglomeraten, zoals met onderhavige uitvinding wel het geval is. Anders gezegd, het Amerikaanse octrooi-schrift 4.259.112 leert ons niet de whisker-massa te ontagglomereren. Deze agglomeraten kunnen ernstig 15 afbreuk doen aan het mechanische gedrag.

In de Amerikaanse octrooiaanvrage no. 274.256 van 16 juni 1981 wordt gesteld dat de geagglomereerde whisker-massa voor het mengen ontagglomereerd kan worden door het met een polair oplosmiddel te behande-20 len en de gesolvateerde massa tot een ontagglomereerde suspensie te vermalen. Alcoholen, water, ketonen en andere polaire organische oplosmiddelen zijn goede vloeistoffen hiervoor. Men denkt dat deze gericht geladen oplosmiddelen werken doordat zij de statisch 25 geladen whiskers van de geagglomereerde massa kunnen neutraliseren. Dit neutraliseren laat toe dat de whiskers bij het daaropvolgende malen van de suspensie van elkaar loskomen, d.w.z. ontagglomereren.

Door uitvinders dezes is gevonden dat een twee-30 de suspensie van eerder ontagglomereerde whiskers tot verdere dispersie van de whiskers leidt.

Wanneer deze tweede suspensie van ontagglomereerde whiskers dan als bekleding op een vel gebracht en gedroogd wordt, verkrijgt men een zeer homogeen cota-35 posiet van uniform gedispergeerde whiskers op vel, 8220495

J

3 dat in hoofdzaak vrij van agglomeraten is. De whiskers zullen door statische en/of moleculaire aantrekking aan het vel vast blijven zitten.

De genoemde ontagglomereringswerkwijze heeft 5 tot aluminiumfolie-composieten van superieure uni formiteit geleid. Dit is de eerste keer dat naar ons weten iemand er in geslaagd is reproduceerbaar een composiet van aluminiumfolie en siliciumcarbide-whis-kers te maken.

10 Deze uitvinding betreft dus een samengesteld vel bekleed met ontagglomereerde siliciumcarbide-whiskers die in hoofdzaak uniform en homogeen daarop gedispergeerd en gedistribueerd zijn, en die het composiet versterken.

15 Ter definitie: met "whiskers" worden hier vezels, filamenten en langwerpige deeltjes of mengsels «· · daarvan bedoeld, die uniform op een vel gedispergeerd kunnen worden door een werkwijze of door werkwijzen die hierna beschreven of gesuggereerd zullen worden.

2o Het composiet wordt verkregen door de werkwijze van (a) het ontagglomereren van een massa silicium-carbide-whiskers door er een eerste suspensie van te maken, (b) het bekleden van een vel met een tweede suspensie van ontagglomereerde whiskers, en (c) het 25 vormen van een vel-composiet door de vloeistof van de suspensie te verjagen.

Een polair oplosmiddel, zoals een alcohol, water of een keton, of een andere polaire organische vloeistof, moet gebruikt worden bij het vormen van de 3q eerste suspensie van ontagglomereerde whiskers, en kan ook gebruikt worden bij het aanmaken van de tweede suspensie van ontagglomereerde whiskers om het bekleden van het vel met de whiskers te vergemakkelijken .

35 Het vel kan van aluminium, magnesium, titaan, 8220495 4 zink, tin, ijzer, nikkel, antimoon, lood, koper, legeringen daarvan, glas, kunsthars, keramiek, enz. zijn.

Als een composiet gemaakt wordt kunnen sili-5 ciumcarbide-whiskers opgebracht worden in een ge halte tussen 0,001 en 50 vol.%, betrokken op het totale volume van het vel. Bij voorkeur brengt men op tot tussen 5 en 30 vol.%.

Deze uitvinding beoogt ook een verbeterde 10 werkwijze alsmede een handelsprodukt dat een compo siet is met een bekleding van siliciumcarbide-whis-kers op een vel.

Deze uitvinding beoogt ook een composiet te verschaffen met ontagglomereerde siliciumcarbide-15 whiskers als bekleding op een vel. De whiskers zijn in hoofdzaak uniform en homogeen over het vel verdeeld en/of daarover verdeeld.

Deze en andere oogmerken van de uitvinding zullen beter te begrijpen zijn uit de nu volgende ge-20 detailleerde beschrijving, in samenhang met de daar bij behorende tekeningen.

Figuur 1 is een stroomschema van de werkwijze volgens de uitvinding, en figuur 2 is een schematische aanblik van een 25 inrichting voor het uitvoeren van de in fig. 1 toe gelichte werkwijze.

Algemeen gesproken gaat deze uitvinding over een werkwijze en over het daarbij ontstaande produkt, waarbij een dunne bekleding van siliciumcarbide-whis-3q kers op het oppervlak van een vel aangebracht wordt.

Dunne vellen of foelies met daarop een bekleding van siliciumcarbide-whiskers zijn nuttig om er verder laminaten en composieten uit te maken. De tussenge-legen whiskers versterken de composieten die uit deze 35 dunne vellen gemaakt zijn door sterkte en stijfheid 8220495 4 5 aan de totale structuur toe te voegen.

In fig. 1 wordt een stroomschema van de werkwijze volgens de uitvinding toegelicht.

In blok 10 worden de siliciumcarbide-whiskers 5 eerst ontagglomereerd door de whiskers in een polair oplosmiddel, zoals ethanol of butanol, ongeveer een uur met kogels te vermalen. Het ontagglomereren neemt klonten uit de massa van siliciumcarbide-whiskers weg en leidt tot een meer uniform en homogeen mengsel 10 van whiskers. De suspensie van gedispergeerde whis kers wordt dan gedroogd totdat al het oplosmiddel verjaagd is.

Vervolgens worden de ontagglomereerde whiskers weer in een polair oplosmiddel zoals aceton opgeroerd 15 en door een zeef van 0,149 mm gehaald, zoals in blok 11 aangegeven is. Het zeven van de suspensie neemt de laatste sporen van eventuele agglomeraten weg en verbetert de textuur en de uniformiteit van de suspensie nog verder.

20 In blok 12 wordt het oppervlak van het te bekleden vel schoongemaakt. Als het vel een aluminium-foelie is kan een ontvettingsoplosmiddel zoals methy-leenchloride gebruikt wordt om olie en vingerafdrukken te verwijderen.

25 De gezeefde suspensie wordt dan, zoals aange geven in blok 13, op het oppervlak van het vel uitgeschonken en men laat het daar zonder storing op staan. Nadat het oplosmiddel verdampt is kan het vel in een oven gedroogd worden (blok 14) om eventuele 30 resten oplosmiddel te verwijderen. Als het vel droog is kan het bijgeknipt, gevormd of met andere vellen gelamineerd worden. Deze beklede vellen geven uitstekende composieten van het sandwich-type.

De whiskers blijven aan het oppervlak van het 35 vel zitten door statische en/of moleculaire aantrekking, 8220495 6 zonder hulp van een bindmiddel. Bindmiddelen verdienen in laminaten van dit soort niet de voorkeur, daar zij neigen tot het scheppen van gaten in de dispersie en in het algemeen de uniformiteit en ho-^ mogeniteit van het produkt verminderen. Maar desge wenst kunnen bindmiddelen gebruikt worden.

Het is een voordeel van deze werkwijze dat de dichtheid van de bekleding gemakkelijk in de hand gehouden kan worden.

In fig, 2 ziet men een schematische aanblik van een bekledingsapparaat voor de werkwijze van fig. 1.

Het bekledingsapparaat bestaat uit een in hoofdzaak vlakke en gladde ondersteuning 20 waarop men 15 het vel 21 moet leggen. Als het vel een aluminium- foelie is wordt het vlak op de ondersteuning 20 uitgestreken om kreukels en ingesloten luchtbellen daaruit te verwijderen.

Als het eenmaal gladgestreken is wordt een 20 pakking 22 rondom de omtrek van vel 21 geplaatst,

De pakking kan van rubber of ander voor vloeistof dicht materiaal zijn dat een goede af- en aansluiting zal geven.

Dan wordt een metalen freem 23 op pakking 22 25 geplaatst en worden hoekklemmen 24 op freem en vel aangebracht om een voor vloeistof dichte afsluiting te realiseren. Dan wordt de suspensie van ontagglo-mereerde siliciumcarbide-whiskers volgens de werkwijze van fig. 1 in freem 23 geschonken.

30 Nu volgen enige echte voorbeelden van de uitvinding.

Voorbeeld 1 A. Ontagglomereren van whiskers

In een kamer van een tril-kogelmolen werden 35 ongeveer 200 g Sic whiskers en ongeveer 3000 g stalen 8220495 * 7 kogels van 3,2 mm doorsnede gebracht. Na het toevoegen van 750 ml ethanol werd het mengsel een uur getrild. De ontstane suspensie werd op platte bakken gegoten en overnacht bij 121°C in een oven met circu-5 latie gedroogd. Toen die helemaal droog was werd de koek van whiskers verkleind met behulp van een dubbele schaalroerder die voorzien was van een intensi-veerstaaf. De werktijd was bij deze behandeling ongeveer 5 minuten. Na dit verkleinen werden de whiskers voor verdere bewerking opgeslagen.

B. Het voorbereiden van het vel

Een vel van aluminium legering (6061) van 61 cm x 122 cm x 0,025 mm werd op een vochtige, stabiele vlakke tafel gelegd die van tevoren goed glad gemaakt was, en de foelie werd goed glad gestreken om luchtbellen te verwijderen. Een pakking werd rondom de omtrek van de foelie op zijn plaats gezet en op de pakking een freem. Nadat het freem ingeklemd was zodat er een vloeistofdichte afsluiting was werd 20 de foelie met methyleenchloride schoongemaakt om eventuele olie, vet en/of vuil, die de bekleding schade zouden kunnen doen, te verwijderen.

C. Het bekleden (zonder bindmiddel)

De bekledingsuspensie werd aangemaakt door 25 35 g ontagglomereerde whiskers, zoals bereid bij 1-Ά, aan 3600 ml aceton toe te voegen en ongeveer 15 minuten hevig te roeren. De dispersie werd toen door een zeef van 0,149 mm gegoten en de weinige grotere stukken whiskers die er toen nog waren werden wegge-30 nomen.

Het bekleden gebeurde door die suspensie fijner dan 0,149 mm van boven op de gereinigde foelie uit te schenken en de aceton te laten verdampen. Het resultaat was een foelie van 56 cm x 112 cm met een 35 zichtbaar uniforme laag Sic whiskers aan het 8220495 4 8 oppervlak. Ma verwijdering van freem en pakking werd de foelie van het tafelblad weggenomen en nog een uur op 121°C gedroogd om een volledig verwijderen van het aceton te verzekeren. Het eindprodukt was 5 een uniform met Sic whiskers beklede foelie die op maat gebracht of tot samengestelde vellen verwerkt kon worden, of in andere toepassingen.

Voorbeeld 2

Bekleden (met bindmiddel) 10 Overeenkomstig stappen A en B van bovenstaand voorbeeld 1 werden whiskers ontagglomereerd en het vel gereedgemaakt. De bekledingssuspensie werd aangemaakt door 2,17 g ontagglomereerde whiskers te brengen in een oplossing van 0,10 g polyvinylbutyral 15 in 300 ml aceton. Na 15 minuten roeren werd de sus pensie door een zeef van 0,149 mm geschonken om de weinige niet gedispergeerde klonten te verwijderen.

De suspensie fijner dan 0,149 mm werd toen uitgegoten op een ontvet vel aluminiumlegering (6061) 20 van 20 cm x 20 cm x 0,25 mm dat in een kleine papier- vormer vastgezet was, en men liet het aceton verdampen. Nadat het aceton verwijderd was had men een vel met een zichtbaar uniforme bekleding van Sic whiskers.

25 De hier beschreven uitvinding vindt als be kleed vel vele industriële toepassingen. Het kan gebruikt worden als versterkend medium in laminaten van polymere materialen of keramiek, en de samengestelde, versterkte vellen kunnen dan als lichtgewicht 3q panelen van hoge sterkte in industriële produkten gebruikt worden.

8220495

Claims (24)

1. Samengesteld vel bestaande uit een vel waarvan tenminste een oppervlak met siliciumcarbide- 5 whiskers bekleed is, welke siliciumcarbide-whiskers in hoofdzaak uniform op dat oppervlak van dat vel gedispergeerd zijn.

2. Samengesteld vel volgens conclusie 1, waarvan het eigenlijke vel uit aluminium, magnesium, 10 een legering daarvan, keramiek of uit kunsthars bestaat.

3. Metalen vel met op tenminste een oppervlak daarvan een in hoofdzaak uniforme dispersie van silicium-whiskers. *5

4. Metalen vel volgens conclusie 3 dat uit aluminium, magnesium of een legering daarvan bestaat.

5. Vel met op tenminste een oppervlak daarvan een in hoofdzaak uniforme dispersie van siliciumcarbide-whiskers, verkregen door de werkwijze van 20 (a) het ontagglomereren van die siliciumcar bide-whiskers , (b) het aanmaken van een suspensie van die ontagglomereerde whiskers, (c) het bekleden van tenminste een oppervlak 25 van dat vel met die suspensie, en (d) het drogen van die bekleding.

6. Vel volgens conclusie 5, waarvan het eigenlijke vel uit aluminium, magnesium, een legering daarvan, keramiek of uit kunsthars bestaat. 30

7, Werkwijze voor het maken van een vel waar van een oppervlak met siliciumcarbide-whiskers bekleed is, bestaande uit (a) het ontagglomereren van een massa siliciumcarbide-whiskers, en 35 (b) het bekleden van dat vel met die 8220495 * ontagglomereerde whiskers tot een vel-composiet.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij voorafgaande aan het bekleden (b) verder (c) een 5 suspensie van die ontagglomereerde whiskers aange maakt wordt.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij die suspensie gevormd wordt door die ontagglomereerde whiskers met een polair oplosmiddel te mengen.

10. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij het ontagglomereren (a) gebeurt door een massa siliciumcarbide-whiskers in een polair oplosmiddel te vermalen en dat oplosmiddel dan te verjagen.

11. Werkwijze volgens conclusie 7, waarbij 15 verder (c) dat oppervlak van het vel voor het bekleden met die whiskers schoongemaakt wordt.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij dat vel met een ontvettingsoplosmiddel schoongemaakt wordt.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, waarbij dat ontvettingsoplosmiddel methyleenchloride is.

14. Werkwijze volgens conclusie 10, waarbij dat polaire oplosmiddel onder water, de alcoholen, ketonen en andere polaire organische oplosmiddelen 25 gezocht wordt.

15. Werkwijze volgens conclusie 9, waarbij dat polaire oplosmiddel onder water, alcoholen, ketonen en andere polaire organische oplosmiddelen gezocht wordt.

16. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij die suspensie gezeefd wordt voordat men er mee gaat bekleden.

17. Werkwijze volgens conclusie 8, waarbij dat oplosmiddel uit die suspensie verjaagd wordt 35 nadat dat vel met die suspensie bekleed is. 8220495 m »

18. Werkwijze voor het maken van een vel waarvan een oppervlak met siliciumcarbide-whiskers bekleed is, bestaande uit (a) het ontagglomereren van een massa silicium- 5 carbide-whiskers door die whiskers met een polair oplosmiddel te vermengen en dan dat oplosmiddel te verjagen, (b) een suspensie van die ontagglomereerde whiskers aan te maken door die whiskers 10 met een polair oplosmiddel te mengen, (c) het schoonmaken van het vel waarvan het oppervlak met die whiskers bekleed moet worden, (d) het bekleden van dat schoongemaakte opper- 15 vlak van dat vel met die suspensie, en (e) het verjagen van dat oplosmiddel uit die suspensie zodat een vel ontstaat bekleed met een in hoofdzaak uniforme dispersie van siliciumcarbide-whiskers.

19. Werkwijze volgens conclusie 18, waarbij dat vel van metaal is.

20. Werkwijze volgens conclusie 19, waarbij dat metalen vel uit aluminium, magnesium of een legering daarvan bestaat. 25

21, Werkwijze volgens conclusie 18, waarbij dat vel met een ontvettingsmiddel schoongemaakt wordt.

22. Werkwijze volgens conclusie 21, waarbij dat ontvettingsmiddel methyleenchloride is.

23. Werkwijze volgens conclusie 18, waarbij dat polaire oplosmiddel in stap (a) of (b) onder water, alcoholen, ketonen en andere polaire organische oplosmiddelen gezocht wordt.

24. Werkwijze volgens conclusie 18, waarbij 35 die suspensie gezeefd wordt voordat men er het metalen vel mee bekleedt. 8220495