NO853965L

NO853965L - PROCESS OF APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OF METAL MATERIALS AND SPECIAL METALLIC MICROFIBERS.

Info

Publication number: NO853965L
Application number: NO853965A
Authority: NO
Inventors: Charles Edmund King; Thomas Edmund Pignon; Alan Arthur Bourne; Simon Neville Balderson
Original assignee: Johnson Matthey Plc
Priority date: 1984-10-08
Filing date: 1985-10-08
Publication date: 1986-04-09
Also published as: KR860003063A; DK444985D0; FI853823A0; JPS61123448A; ZA857588B; FI853823L; AU4820585A; EP0181696A1; DK444985A; IL76549A0

Description

FREMSTILLING AV METALLISK MATERIALEMANUFACTURE OF METALLIC MATERIAL

Denne oppfinnelse gjelder fremstilling av metallisk materiale og spesilt fremstilling av metalliske fibre med tverrsnitt-diameter under ca. 50 mikrometer. This invention relates to the production of metallic material and in particular the production of metallic fibers with a cross-sectional diameter of less than approx. 50 micrometers.

Metalliske fibre med tverrsnitt-diameter under ca. 50 mikrometer, helst under ca. 25 mikrometer, er spesielt nyttige til skjerming av elektroniske komponenter mot elektromagnetisk utstråling, særlig i frekvensområdet 100kHz til 1GHz. Elektroniske komponenter, med hvilke menes mikrodatamaskiner og liknen-de, benyttes i stadig stigende antall i kontrollsystemer for eksempel i fly, rakettvåpen og kjøretøyer for langtransport, såvel sivile som militære, og i utstyr til bruk i sykehus og på andre områder, og feil i slike komponenter som skyldes påvirkning av elektromagnetisk utstråling i omgivelsene ansees som en potensielt katastrofal fare. Denne faren øker dramatisk ikke bare på grunn av den økende bruk av elektroniske komponenter i kontrollsystemer, men også fordi det forekommer stadig økende elektromagnetisk utstråling i omgivelsene fra kilder så som radio- og fjernsynssendere, radaranlegg, industrielt utstyr, for eksempel buesveiseutstyr, og husholdningsapparater så som personlige datamaskiner. Skjerming består i enten å beskytte en komponent mot stråling utenfra, eller i å hindre at utstrålingen fra den skjermede komponenten bidrar til strålemengden i omgi vel sene. Metallic fibers with a cross-sectional diameter of less than approx. 50 micrometres, preferably below approx. 25 micrometres, are particularly useful for shielding electronic components against electromagnetic radiation, particularly in the frequency range 100kHz to 1GHz. Electronic components, by which is meant microcomputers and the like, are used in ever-increasing numbers in control systems, for example in aircraft, missile weapons and vehicles for long-distance transport, both civilian and military, and in equipment for use in hospitals and in other areas, and errors in such components which are caused by the influence of electromagnetic radiation in the surroundings are considered a potentially catastrophic hazard. This danger increases dramatically not only because of the increasing use of electronic components in control systems, but also because there is ever-increasing electromagnetic radiation in the environment from sources such as radio and television transmitters, radar systems, industrial equipment, such as arc welding equipment, and household appliances such as such as personal computers. Shielding consists of either protecting a component against radiation from the outside, or preventing the radiation from the shielded component from contributing to the amount of radiation in the surrounding area.

Det er foreslått forskjellige metoder til skjerming av elektroniske komponenter, som ofte er plassert i plasthus som er gjen-nomtrengelig for elektromagnetisk stråling, mot omgivende elektromagnetisk stråling, for eksempel ved behandling av huset med ledende malinger, metal1 i ser ing ved vakuumpåleggingsteknikk eller bue/f1ammesprøyting, pålegging av metal1 fol i er, og reduksjon av sølvnitrat. Hver av disse metodene har imidlertid sin egen spesielle ulempe og ingen har gitt noen praktisk og forretningsmessig lønnsom løsning. Tilsetning av et ledende filter til plastmaterialet er også foreslått, men de store metal1 mengder som krevdes (typisk 10-40 vektprosent) har en uønsket virkning på materialets øvrige egenskaper, og øker videre totalkostnaden til et forretningsmessig uakseptabelt nivå. Different methods have been proposed for shielding electronic components, which are often placed in plastic housings that are permeable to electromagnetic radiation, against ambient electromagnetic radiation, for example by treating the housing with conductive paints, metal1 ining by vacuum application technique or arc/ f1amme spraying, application of metal1 foil i er, and reduction of silver nitrate. However, each of these methods has its own particular disadvantage and none has provided a practical and commercially profitable solution. Adding a conductive filter to the plastic material is also proposed, but the large amounts of metal1 required (typically 10-40 percent by weight) have an undesirable effect on the material's other properties, and further increase the total cost to a commercially unacceptable level.

Ett forslag som synes å være meget effektivt er å inkorporere fine, ledende fibre så som fibre av rustfritt stål i et polymer-bindemiddel. Det resulterende sammensatte materiale formes deretter til hus for elektroniske og andre komponenter som er følsomme for elektromagnetisk utstråling. Man mener at fibrene som benyttes bør være duktile og så fine som mulig for å oppnå det minste mulige metal1 innhold som er forenlig med opprett-holdelse av ledningsevnen. Det har imidlertid hittil ikke vist seg økonomisk mulig å fremstille fibre av tilstrekkelig finhet, dvs. under ca. 50 mikrometer i tverrsnitt-diameter, helst under ca. 25 mikrometer og allerhelst under ca. 10 mikrometer, i en ialt vesentlig ett-trinns operasjon. Blant teknikker som er vurdert kan nevnes fr ittflyvende smeltespinn ing , digel- eller dryppsmelte-ekstraksjon, trekking av glassbelagt tråd og gass-fi ber struktur er ing av et smeltet rør, men alle disse teknikkene krever at produktet deles opp i individuelle fibre i et separat trinn. Av økomiske grunner foretrekkes en teknikk som frem-stiller materiale som kan skjæres opp i fibre direkte fra den smeJtede tilstand, men det er vanskelig å kontrollere diameteren som forøvrig er for stor, vanligvis ca. 50-100 mikrometer, mens tradisjonell trekking med henblikk på å redusere diameteren til den som kreves for elektromagnetisk skjerming, fører til en uakseptabel økning av produksjonskostnadene. Man mener også at bearbeiding av denne art forårsaker en grad av forsprødning eller arbeidsherding som vanskeliggjør oppnåelse av ledningsevne i et polymer-bindemiddel . Videre resulterer fibre av rustfritt stål i en gjennomgående grå fargetone i polymeren, som er kosmetisk uakseptabel ved visse anvendelser. One suggestion that appears to be very effective is to incorporate fine, conductive fibers such as stainless steel fibers into a polymer binder. The resulting composite material is then formed into housings for electronic and other components sensitive to electromagnetic radiation. It is believed that the fibers used should be ductile and as fine as possible in order to achieve the smallest possible metal1 content which is compatible with maintaining the conductivity. However, it has not yet proved economically possible to produce fibers of sufficient fineness, i.e. below approx. 50 micrometers in cross-sectional diameter, preferably below approx. 25 micrometers and preferably below approx. 10 micrometers, in an essentially one-step operation. Among the techniques that have been considered can be mentioned free-flowing melt spinning, crucible or drip melt extraction, drawing of glass-coated wire and gas-fibre structure is not a molten tube, but all these techniques require that the product be split into individual fibers in a separate step. For economic reasons, a technique that produces material that can be cut into fibers directly from the molten state is preferred, but it is difficult to control the diameter, which is otherwise too large, usually approx. 50-100 micrometers, while traditional drawing to reduce the diameter to that required for electromagnetic shielding leads to an unacceptable increase in production costs. It is also believed that processing of this kind causes a degree of embrittlement or work hardening which makes it difficult to achieve conductivity in a polymer binder. Furthermore, stainless steel fibers result in a consistent gray tint in the polymer, which is cosmetically unacceptable in certain applications.

Vi har nå oppdaget at metalliske materialer kan behandles direkte fra smeltet tilstand til å danne filamenter, fibre eller partikler, og at disse produktene kan ha en diameter eller minste dimensjon på 50 mikrometer eller mindre, ved en prosess som omfatter ekstrudering av det smeltede metallet til en transient ustabil tilstand som deretter stabiliseres ved størkning. We have now discovered that metallic materials can be processed directly from the molten state to form filaments, fibers or particles, and that these products can have a diameter or smallest dimension of 50 micrometers or less, by a process which involves extruding the molten metal into a transient unstable state which is then stabilized by solidification.

Ifølge nærværende oppfinnelse omfatter således en prosess for fremstilling av metallisk materiale ekstrudering av flytende metallisk materiale gjennom en åpning, til en transient ustabil tilstand, og stabilisering av den ustabile tilstanden ved størkn i ng. According to the present invention, a process for the production of metallic material thus comprises extruding liquid metallic material through an opening, into a transient unstable state, and stabilizing the unstable state by solidification in ng.

Det direkte produkt fra prosessen fremkommer fortrinnsvis i form av fibre, selv om filament- eller partikkelformet materiale kan fremstilles ved å variere forholdene. The direct product from the process appears preferably in the form of fibres, although filament or particulate material can be produced by varying the conditions.

Størkningshastigheten kan påvirkes blant annet av omgivelses-luftens temperatur og av smeltebadet og den kan bestemme de strukturelle egenskaper, dvs. utstrekningen og typen av krystal1 i ni tet, såvel som produktets fysiske form. De strukturelle egenskapene påvirker i sin tur den elektriske ledningsevne og produktets øvrige egenskaper. The rate of solidification can be influenced, among other things, by the temperature of the ambient air and by the melt bath and it can determine the structural properties, i.e. the extent and type of crystal1 in the nickel, as well as the physical form of the product. The structural properties in turn affect the electrical conductivity and the product's other properties.

I uttrykket "smeltet" mener vi å inkludere slam av faste stoffer i en smeltet kontinuerlig fase, såvel som materialer i 100% smeltet tilstand. Metaller i smeltet tilstand har meget lave viskositeter, typisk vesentlig mindre enn 10 poise, for eksempel 1,5 poise. Ved disse lave viskositetene er overflatespenningen den dominerende iboende kraft som virker på en ekstrudert mengde smeltet metall. Overflatespenningen har tendens til å forme det ekstruderte materiale til en kule, og denne formen anses i fravær av andre krefter å være den naturlige, stabile tilstand. Ifølge oppfinnelsen blir denne tilstand transient avstabi 1 i sert slik at det dannes en ustabil, helst fibrøs tilstand som deretter stabiliseres ved størkning. Avstabilisering oppnås ved å påføre det ekstruderte materiale en trekkraft i tillegg til den skyvekraft som påføres det smeltede materiale for å forårsake ekstrudering, og ved at den nevnte trekkraft opprettholdes inntil stabilisering ved størkning er oppnådd. Både den skyvende ekstruderingkraft og den trekkende avstabiliserings-kraft kan med fordel utgjøres av sentrifugalkraft. Det smeltede metalliske materialet kan således foreligge i en roterbar beholder som i sin periferi er utstyrt med én eller flere ekstruderingsåpninger. Rotasjon av beholderen frembringer en sentrifugalkraft i det smeltede materialet som ved en bestemt vinkelhastighet, avhengig av material mengden i beholderen, er tilstrekkelig til å overvinne overflatespenningskreftene ved åpningens munning, slik at ekstrudering kan begynne; opprett-holdelse av denne kraft forårsaker fortsatt ekstrudering. Det ekstruderte materiale kommer innledningsvis radielt ut av åpningene og utsettes for en marginalt høyere sentrifugalkraft sammenlignet med den kraft som virker innenfor åpningen på grunn av den høyere hastighet; denne utgjør trekkraften som avstabil iserer det ekstruderte materiale og danner en ustabil, fortrinnsvis fibrøs tilstand. Hastigheten og følgelig den sentrifugale trekkraft øker med økende fiberlengde slik at den avstabiliserende kraft på den smeltede ekstruderte masse fortsetter å virke inntil stabilisering skjer ved størkning. By the term "melted" we mean to include sludge of solids in a molten continuous phase, as well as materials in a 100% molten state. Metals in the molten state have very low viscosities, typically significantly less than 10 poise, for example 1.5 poise. At these low viscosities, surface tension is the dominant intrinsic force acting on an extruded amount of molten metal. The surface tension tends to shape the extruded material into a sphere, and this shape is considered, in the absence of other forces, to be the natural, steady state. According to the invention, this state is transiently destabilized so that an unstable, preferably fibrous state is formed which is then stabilized by solidification. Destabilization is achieved by applying to the extruded material a tensile force in addition to the thrust applied to the molten material to cause extrusion, and by maintaining said tensile force until stabilization by solidification is achieved. Both the pushing extrusion force and the pulling destabilizing force can advantageously be constituted by centrifugal force. The molten metallic material can thus be present in a rotatable container which is equipped at its periphery with one or more extrusion openings. Rotation of the container produces a centrifugal force in the molten material which, at a certain angular velocity, depending on the amount of material in the container, is sufficient to overcome the surface tension forces at the mouth of the opening, so that extrusion can begin; maintaining this force causes continued extrusion. The extruded material initially emerges radially from the apertures and is subjected to a marginally higher centrifugal force compared to the force acting within the aperture due to the higher velocity; this constitutes the pulling force which destabilizes the extruded material and forms an unstable, preferably fibrous state. The speed and consequently the centrifugal force increases with increasing fiber length so that the destabilizing force on the molten extruded mass continues to act until stabilization occurs by solidification.

Med "metallisk" mener vi i denne spesifikasjonen å inkludere metaller og legeringer og andre materialer hvis viskositets-egenskaper i smeltet tilstand ligner smeltede metallers, og som således lar seg behandle i overensstemmelse med oppfinnelsen. By "metallic" we mean in this specification to include metals and alloys and other materials whose viscosity properties in the molten state resemble those of molten metals, and which can thus be treated in accordance with the invention.

Vi mener at ethvert metallisk materiale lar seg behandle på denne måte såfremt man for materialer med høyt smeltepunkt er istand til å opprettholde tilstrekkelig høy temperatur under ekstruder ingsforholdene. We believe that any metallic material can be treated in this way, provided that materials with a high melting point are able to maintain a sufficiently high temperature under the extrusion conditions.

Oppfinnelsens prosess adskiller seg fra smeltespinning av materialer med høy viskositet, for eksempel oksydglass, ved at det til spinning av materialer med høy viskositet benyttes relativt store åpninger og overflatespenningen innvirker ved å redusere det flytende fiberets diameter. Dette er en prosess som kalles "necking down" (innsnevring), men i motsetning til det som er tilfelle ved materialer med lav viskositet, er det ingen tendens i retning av kuledannelse. Således er det smeltede materiale med høy viskositet, selv om det er filament-formet, til enhver tid i stabil tilstand, stabiliteten har sin årsak i kombinasjonen av overflatespenning og viskositets-krefter. The process of the invention differs from melt spinning of materials with high viscosity, for example oxide glass, in that relatively large openings are used for spinning materials with high viscosity and the surface tension acts by reducing the diameter of the liquid fiber. This is a process called "necking down", but unlike low viscosity materials, there is no tendency towards ball formation. Thus, the molten material of high viscosity, even though it is filament-shaped, is at all times in a stable state, the stability having its cause in the combination of surface tension and viscosity forces.

Ekstruderingsåpningens maksimale størrelse i prosessen ifølge nærværende oppfinnelse dikteres hovedsakelig av det smeltede materialets overflatespenning, i og med at overflatespennings-krefter bør virke for å forhindre utstrømning av materialet unntagen under ekstruderingsforhold. Den foretrukne maksimale åpningsstørrelse for fremstilling av fibre eller andre produkter i fin tilstand er imidlertid 150 mikrometer med størrelser på 50 mikrometer eller mindre eller til og med 10 mikrometer eller mindre som spesielt foretrukne til fremstilling av meget fine produkter. The maximum size of the extrusion opening in the process according to the present invention is mainly dictated by the surface tension of the molten material, in that surface tension forces should act to prevent outflow of the material except under extrusion conditions. However, the preferred maximum aperture size for making fibers or other products in fine condition is 150 micrometers with sizes of 50 micrometers or less or even 10 micrometers or less being particularly preferred for making very fine products.

Fibre som er formet ifølge denne oppfinnelses prosess blir fortrinnsvis formet som en integrert del av ekstruder ings-prosessen, dvs. ved at det ekstruderte materialet brytes av ved å utsettes for skjære- eller bøyekrefter ved at den påførte trekkraft overstiger det ekstruderte materialets strekkstyrke, eller ved kombinasjon av begge. Fibre kan for eksempel dannes enten ved at trekkraften overstiger det ekstruderte materialets strekkstyrke og/eller ved luftmotstand eller ved tilført lufttrekk som forårsaker skjærekrefter. Fibers formed according to the process of this invention are preferably formed as an integral part of the extrusion process, i.e. by the extruded material breaking off by being subjected to shearing or bending forces by the applied tensile force exceeding the tensile strength of the extruded material, or by combination of both. Fibers can be formed, for example, either by the tensile force exceeding the tensile strength of the extruded material and/or by air resistance or by added air draft which causes cutting forces.

Oppfinnelsen er særdeles anvendelig til fremstilling av metalliske fibre, filamenter eller partikler med diameter ca. 50 mikrometer eller mindre, helst 25 mikrometer eller aller helst 10 mikrometer eller mindre. Vi har funnet at produkter med slike små diametre med hell kan formes uten at åpningene blokkeres, selv om det ved ekstrudering av materialer som har tendens til å reagere med den omgivende atmosfære, foretrekkes å utføre prosessen i en nøytral eller reduserende atmosfære. Ennvidere kan omgi velsesatmosfærens temperatur kontrolleres med henblikk på å påvirke størkn ingshastigheten. Ved å forandre prosess-parametrene kan oppfinnelsen benyttes til å fremstille partikler, f.eks. kule- eller el ipseformede partikler, som fremkommer når prosessen drives ved eller i nærheten av grense-parametre slik at overflatespenningskreftene dominerer. Under disse forhold kommer ekstrudert materiale ut av ekstruder ings-åpningen som små dråper som kan tilnærme seg eller oppnå den naturlige stabile tilstand i flukt før de stabiliseres ved størkning. Alternativt kan oppfinnelsen benyttes til å fremstille filamenter, dvs. lange og uendelig lange fibre. The invention is particularly applicable to the production of metallic fibres, filaments or particles with a diameter of approx. 50 micrometers or less, preferably 25 micrometers or most preferably 10 micrometers or less. We have found that products of such small diameters can be successfully formed without blocking the openings, although when extruding materials that tend to react with the surrounding atmosphere, it is preferred to carry out the process in a neutral or reducing atmosphere. Furthermore, the temperature of the surrounding well atmosphere can be controlled with a view to influencing the solidification rate. By changing the process parameters, the invention can be used to produce particles, e.g. spherical or ellipse-shaped particles, which appear when the process is operated at or near boundary parameters so that the surface tension forces dominate. Under these conditions, extruded material exits the extrusion orifice as small droplets which may approach or attain the natural steady state in flight before being stabilized by solidification. Alternatively, the invention can be used to produce filaments, i.e. long and infinitely long fibres.

Til elektromagnetisk skjerming er fiberets sideforhold (lengde/diameter) viktig fordi den nødvendige metal1 mengden for å oppnå et gitt 1 edningsevnenivå kan reduseres når fibrene har høyt sideforhold. Diameteren av fibrene som fremstilles ifølge oppfinnelsens prosess, kan lett styres ved å velge en hensiktsmessig diameter på ekstruderingsåpningen. Fibrenes lengde kan også kontrolleres innenfor grenser som settes av luftmotstanden og andre utvendige påvirkninger, av vinkelhastigheten, i og med at fiberlengden for en gitt ekstruder ingstemperatur og for alle vinkelhastigheter som er høyere enn den minste hastighet som kreves for at ekstrudering skal skje (kalt den "kritiske" vinkelhastighet), minsker med økende hastighet. Således kan si de for hol det lett kontrolleres. Til elektromagnetisk skjerming, hvortil det kreves det minstekvanturn metallisk materiale som er forenlig med behovet for å bibeholde elektrisk ledningsevne, bør sideforholdet være større enn 10:1, helst større enn 50:1. Den ønskelige maksimale fiberlengde bestemmes derimot ved behandlingsforholdene under inkorporering av materialet i et polymer-bindemiddel, idet disse forholdene kan forårsake brudd på lange fibre, avhengig av deres duktilitet. For fibre med normal duktilitet anses den lengste praktiske fiberlengde å være ca. 1 cm i bindemiddelet, selv om fibre med særdeles høy duktilitet kan gjennomgå forlengelse under polymer-behandling. For et sideforhold 100:1 vil den nødvendige diameter for en 1 cm lang fiber være 100 mikrometer, og dette kan lett oppnås ved prosessen ifølge oppfinnelsen. Men fordi diametre på 50 mikrometer eller mindre, eller til og med 25 mikrometer eller mindre, også kan oppnås, kan fiberlengden reduseres til 2,5 mm eller mindre med bibeholdelse av sideforhold på 100:1, eller alternativt kan fiberlengden 1 cm beholdes for å gi et sideforhold på 400:1. Sideforhold i området 50 til 500:1 foretrekkes, selv om sideforhold opptil ca. 3000:1 kan oppnås ved bruk av prosessen ifølge oppfinnelsen. Over dette sideforhold anser vi produktet som fil amen tert, dvs. i form av kontinuerlige fibre av ubestemt lengde. For electromagnetic shielding, the fiber's aspect ratio (length/diameter) is important because the required metal1 amount to achieve a given 1 conductivity level can be reduced when the fibers have a high aspect ratio. The diameter of the fibers produced according to the process of the invention can be easily controlled by choosing an appropriate diameter of the extrusion opening. The length of the fibers can also be controlled within limits set by air resistance and other external influences, by the angular velocity, in that the fiber length for a given extrusion temperature and for all angular velocities higher than the minimum velocity required for extrusion to occur (called the "critical" angular velocity), decreases with increasing velocity. Thus they can say for hol it is easily controlled. For electromagnetic shielding, which requires the minimum quantum of metallic material compatible with the need to maintain electrical conductivity, the aspect ratio should be greater than 10:1, preferably greater than 50:1. The desired maximum fiber length, however, is determined by the processing conditions during incorporation of the material into a polymer binder, as these conditions can cause breakage of long fibers, depending on their ductility. For fibers with normal ductility, the longest practical fiber length is considered to be approx. 1 cm in the binder, although fibers with particularly high ductility can undergo elongation during polymer treatment. For an aspect ratio of 100:1, the required diameter for a 1 cm long fiber will be 100 micrometres, and this can easily be achieved by the process according to the invention. However, because diameters of 50 micrometers or less, or even 25 micrometers or less, can also be achieved, the fiber length can be reduced to 2.5 mm or less while maintaining an aspect ratio of 100:1, or alternatively, the 1 cm fiber length can be kept to giving an aspect ratio of 400:1. Aspect ratios in the range of 50 to 500:1 are preferred, although aspect ratios up to approx. 3000:1 can be achieved using the process according to the invention. Above this aspect ratio, we consider the product as filamentary, i.e. in the form of continuous fibers of indefinite length.

Følgelig gir nærværende oppfinnelse også filamenter, fibre og partikler av metallisk materiale ved fremstilling ifølge oppfinnelsens prosess, spesielt partikler og filamenter med diameter 50 mikrometer eller mindre, helst 25 mikrometer eller mindre, og fibre med sideforhold i området 10:1 til 3000:1 med et foretrukket området 50:1 til 500:1. Accordingly, the present invention also provides filaments, fibers and particles of metallic material when produced according to the process of the invention, in particular particles and filaments with a diameter of 50 micrometers or less, preferably 25 micrometers or less, and fibers with an aspect ratio in the range of 10:1 to 3000:1 with a preferred range of 50:1 to 500:1.

Fibre ifølge oppfinnelsen kan etter ønske belegges eller behandles før de inkorporeres i plast eller andre materialer for å danne et materiale som egner seg for elektromagnetisk skjerming. Termoplastiske plastmaterialer foretrekkes. Alternativt kan fibrene inkorporeres i andre bindemidler, for elektromagnetisk skjerming eller andre formål, spesielt hvor det ønskes å tilveiebringe en kontinuerlig elektrisk ledende bane gjennom vedkommende materiale. Plast eller andre materialer som inneholder fibre ifølge oppfinnelsen, kan pigmenteres eller på annen måte farges uten at fibrenes nærvær urimelig påvirker pigmenteringen eller fargingen. Fibre som fremstilles ifølge oppfinnelsen, er duktile, dvs. ikke utsatt for forsprødning eller arbeidsherding, og de er således utmerket egnet til tilfredsstillende inkorporering i plast eller andre materialer uten brudd på fibrene. Ennvidere forårsaker bruken av duktile fibre mindre skade på utstyr, for eksempel former, som benyttes til bearbeiding av materialet. For å oppnå en kontinuerlig elektrisk ledende bane er det ikke påkrevet at det foreligger en kontinuerlig metallbane hvor fibrene som definerer banen, er i fysisk kontakt med hverandre; en nærhetsgrad er akseptabel spesielt hvor fibrene danner et adskilt nettverk innenfor plast eller annet materiale. Med "adskilt nettverk" menes en delvis ordnet arrangering av fibrene, hvor de hverken er tilfeldig orientert eller nøye innrettet, og i denne tilstand kan metal1 mengden reduseres til et minimum. Metal1 mengder på eller under ca. 1 volumprosent er tilstrekkelige ved fibre med diameter under ca. 25 mikrometer, for eksempel 15 mikrometer, i et adskilt nettverk innenfor plast eller annet materiale, og lavere nivåer er tilstrekkelige ved fibre med mindre diameter eller større sideforhold. Fibers according to the invention can, if desired, be coated or treated before being incorporated into plastic or other materials to form a material suitable for electromagnetic shielding. Thermoplastic plastic materials are preferred. Alternatively, the fibers can be incorporated into other binders, for electromagnetic shielding or other purposes, especially where it is desired to provide a continuous electrically conductive path through the relevant material. Plastic or other materials containing fibers according to the invention can be pigmented or otherwise colored without the presence of the fibers unreasonably affecting the pigmentation or colouring. Fibers produced according to the invention are ductile, i.e. not subject to embrittlement or work hardening, and they are thus excellently suitable for satisfactory incorporation into plastic or other materials without breaking the fibres. Furthermore, the use of ductile fibers causes less damage to equipment, for example moulds, which are used to process the material. In order to achieve a continuous electrically conductive path, it is not required that there be a continuous metal path where the fibers that define the path are in physical contact with each other; a degree of closeness is acceptable especially where the fibers form a separate network within plastic or other material. By "separate network" is meant a partially ordered arrangement of the fibers, where they are neither randomly oriented nor carefully aligned, and in this state the amount of metal1 can be reduced to a minimum. Metal1 amounts of or below approx. 1 percent by volume is sufficient for fibers with a diameter of less than approx. 25 micrometers, for example 15 micrometers, in a separate network within plastic or other material, and lower levels are sufficient for fibers of smaller diameter or larger aspect ratio.

I overensstemmelse hermed tilveiebringer oppfinnelsen også et sammensatt materiale som er hensiktsmessig for elektromagnetisk skjerming og som omfatter fibre ifølge oppfinnelsen inkorporert i et bindemiddel, spesielt et plastmateriale. Slike sammensatte materialer er fortrinnsvis til strukturelt bruk, selv om de også kan benyttes til belegging. Fibrene danner fortrinnsvis et adskilt nettverk innenfor hi n ri em i d ri el f» t_ Accordingly, the invention also provides a composite material which is suitable for electromagnetic shielding and which comprises fibers according to the invention incorporated in a binder, in particular a plastic material. Such composite materials are preferably for structural use, although they can also be used for coating. The fibers preferably form a separate network within the hi n ri em i d ri el f» t_

En annen side ved denne oppfinnelsen tilveiebringer apparat for fremstilling av metallisk materiale, idet vedkommende apparat omfatter midler til ekstrudering av smeltet metallisk materiale gjennom en åpning, hvorved det ekstruderte materiale formes i en transient ustabil tilstand som deretter stabiliseres ved størkning. Materialet som på denne måten fremstilles, har fortrinnsvis form av fibre, selv om det også kan danne filamenter eller partikler. Another aspect of this invention provides apparatus for the production of metallic material, the apparatus in question comprising means for extruding molten metallic material through an opening, whereby the extruded material is formed in a transient unstable state which is then stabilized by solidification. The material produced in this way is preferably in the form of fibres, although it can also form filaments or particles.

Ekstruderingsmidlene omfatter fortrinnsvis en roterbar beholder som kan inneholde et kvantum smeltet metallisk materiale, utstyrt i sin periferi med én eller flere ekstruderingsåpninger, hvis diameter kan være 150 mikrometer eller mindre, helst 50 mikrometer eller mindre, eller til og med 10 mikrometer eller mindre. Ved bruk foregår ekstruder i ngen ved sentrifugalkraft som oppstår i det smeltede metalliske materialet ved at beholderen roteres, og den ustabile tilstand dannes ved en trekkraft iboende i det ekstruderte materialet og som også forårsakes av sentrifugalkraften. Etter valg kan varmeelementer, termoelementer eller annet temperaturmåleutstyr og lignende plasseres på beholderen. Apparatet eller deler av dette er fortrinnsvis isolert eller på annen måte anordnet for å minimalisere varmetap. The extruding means preferably comprises a rotatable container capable of containing a quantity of molten metallic material, provided at its periphery with one or more extrusion openings, the diameter of which may be 150 micrometers or less, preferably 50 micrometers or less, or even 10 micrometers or less. In use, the extruder is not driven by centrifugal force which occurs in the molten metallic material as the container is rotated, and the unstable state is formed by a traction force inherent in the extruded material and which is also caused by the centrifugal force. Optionally, heating elements, thermocouples or other temperature measuring equipment and the like can be placed on the container. The device or parts thereof are preferably insulated or otherwise arranged to minimize heat loss.

Apparatet er fortrinnsvis omgitt av en beholder som tar imot det størknede produkt. The apparatus is preferably surrounded by a container which receives the solidified product.

Utførelser av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet eksempelvis under henvisning til vedlagte tegninger, hvor Embodiments of the invention will now be described, for example, with reference to the attached drawings, where

Fig. 1 er et tverrsnitt av et ekstruderingsapparat Ifølge Fig. 1 is a cross-section of an extrusion apparatus According to

oppfinnelsen; the invention;

Fig. 2 er et grunnriss i noe redusert skala av det apparat Fig. 2 is a ground plan on a somewhat reduced scale of that apparatus

som er vist i fig. 1; ogwhich is shown in fig. 1; and

Fig. 3 er et tverrsnitt på linjen A-A av apparatet som er vist i fig. 2, hvor de enkelte delene for tydelighets skyld er rykket ut fra hverandre. Fig. 3 is a cross-section on the line A-A of the apparatus shown in fig. 2, where the individual parts have been moved apart for the sake of clarity.

Under henvisning til tegningene er apparatet ifølge oppfinnelsen angitt generelt ved 10, det består av en sirkelformet beholder 11 for smeltet metallisk materiale og avgrenset av øvre og nedre plater henholdsvis 12 og 13, hver med en sentral åpning og sammenboltet med bolter 14, som går gjennom huller 15 som er oppgjenget i plate 13. Åpningen i plate 12 utgjør beholderens munning. I kanten 17 av plate 12 er det anordnet hakk 16; disse hakkene i forbindelse med tilsvarende kant 18 av plate 13 utgjør ekstruderingsåpninger i beholderens periferi. Hakkene og åpningene (sistnevnte vist ved 19 i fig. 2) er vist forstørret i tegningene for tydelighetens skyld. Sammenmontering av øvre og nedre plate 12 og 13 oppnås ved hjelp av bolter (kke vist) Referring to the drawings, the apparatus according to the invention is indicated generally at 10, it consists of a circular container 11 for molten metallic material and bounded by upper and lower plates 12 and 13 respectively, each having a central opening and bolted together by bolts 14, passing through holes 15 which are threaded in plate 13. The opening in plate 12 forms the mouth of the container. A notch 16 is arranged in the edge 17 of plate 12; these notches in connection with the corresponding edge 18 of plate 13 constitute extrusion openings in the periphery of the container. The notches and openings (the latter shown at 19 in Fig. 2) are shown enlarged in the drawings for the sake of clarity. Assembly of the upper and lower plates 12 and 13 is achieved by means of bolts (not shown)

gjennom huller 20 i den nedre plate 13 til den roterbare aksel 21 via hensiktsmessige bøssinganordninger til lukking av åpningen i nedre plate 13. Akselen drives av en hensiktsmessig motor (ikke vist). Apparatet ifølge fig. 1 er plassert i en trommel som tillater en fr i f1ukt-bane for det ekstruderte materiale på ca. 10 cm. through holes 20 in the lower plate 13 to the rotatable shaft 21 via suitable bushing devices for closing the opening in the lower plate 13. The shaft is driven by a suitable motor (not shown). The apparatus according to fig. 1 is placed in a drum which allows a free moisture path for the extruded material of approx. 10 cm.

Under bruk føres metallisk materiale inn i beholderens munning. Materialet er enten i smeltet form eller oppvarmet til over sitt smeltepunkt av varmeelementer i forbindelse med beholderen. Beholderen roteres og det smeltede materiale fordeler seg på During use, metallic material is introduced into the mouth of the container. The material is either in molten form or heated above its melting point by heating elements in connection with the container. The container is rotated and the molten material is distributed

grunn av sin lave viskositet automatisk, under sentrifugal-kraftens innvirkning, jevnt omkring beholderens indre periferi. Når den kritiske vinkelhastighet oppnås, begynner ekstruderingen due to its low viscosity automatically, under the influence of centrifugal force, evenly around the inner periphery of the container. When the critical angular velocity is reached, extrusion begins

av smeltet materiale gjennom åpningene. (Den kritiske vinkelhastighet er en funksjon av det smeltede metallets overflatespenning, den mengde smeltet metall som forefinnes i beholderen, åpningens diameter og beholderens radius.) Det ekstruderte materiale som kommer ut av åpningene, utsettes for en trekkraft som også skyldes sentrifugalkraften som overvinner tendensen til å danne en kule, og istedet frembringer en ustabil tilstand som tilslutt stabiliseres ved størkning. Den ustabile tilstanden omfatter fortrinnsvis fibre som brytes av det ekstruderte materiale under påvirkning av bøying grunnet luftmotstand. of molten material through the openings. (The critical angular velocity is a function of the surface tension of the molten metal, the amount of molten metal present in the vessel, the diameter of the orifice, and the radius of the vessel.) The extruded material emerging from the orifices is subjected to a drag force also due to centrifugal force that overcomes the tendency to to form a sphere, and instead produces an unstable state which is finally stabilized by solidification. The unstable state preferably comprises fibers that are broken by the extruded material under the influence of bending due to air resistance.

Flere topp-plater 12 kan lagerføres, hver med hakk av størrelse forskjellig fra de andre platenes, for å tillate bruk av ekstruderingsåpninger av forskjellige størrelser. Etter ønske kan beholderen utstyres foruten med varmeelementer, ogsS med termoel ementer osv., elektrisk tilkoblet via sleperinger montert omkring akselen 21. Som eksempler på alternativer til hakk, kan ekstruderingsåpninger med diameter ned til ca. 5 mikrometer anordnes ved boring 1 rustfri stålfolie, for eksempel, eller ved bruk av elektronmikroskopi-åpninger. Multiple top plates 12 may be stocked, each with a notch of a size different from that of the other plates, to allow the use of different sized extrusion openings. If desired, the container can also be equipped with heating elements, also with thermoelectric elements etc., electrically connected via slip rings mounted around the shaft 21. As examples of alternatives to notches, extrusion openings with a diameter down to approx. 5 micrometers are arranged by drilling 1 stainless steel foil, for example, or by using electron microscopy apertures.

Vi har erfart at materiale, avhengig av forholdene, produseres med diameter med ca. 0,25 til 0,8 ganger diameteren av den ekstruderingsåpningen materialet presses gjennom. Materialets fysiske form er vanligvis jevn, selv om knuter eller andre ujevnheter kan forekomme med visse mellomrom. Disse synes å være påvirket av ekstruderingsforholdene og er derfor kontrol1erbare. We have experienced that material, depending on the conditions, is produced with a diameter of approx. 0.25 to 0.8 times the diameter of the extrusion opening the material is pushed through. The physical form of the material is usually uniform, although knots or other irregularities may occur at certain intervals. These appear to be influenced by the extrusion conditions and are therefore controllable.

I det beskrevne apparat ha vi oppnådd følgende resultater ved fremstilling av tinnfibre. Behol derdiameteren var 13 cm og ekstruderingsåpningene var 50-75 mikrometer i diameter. Ved omdreiningshastighet 800 o/min., tilsvarende periferisk hastighet 600 cm/sek., ble det dannet fibre med lengde 2 til 3 mm og diameter 50 mikrometer. Ved omdreiningshastighet 1500 o/min., tilsvarende periferisk hastighet 1100 cm/sek., ble det dannet fibre med lengde 25 til 30 mm og diameter 30 mikrometer. Ved bruk av en annen topp-plate for å avgrense ekstruderingsåpninger med diameter 110 mikrometer, omdreiningshastighet 1160 o/min. In the described apparatus we have achieved the following results in the production of tin fibres. The container diameter was 13 cm and the extrusion openings were 50-75 micrometers in diameter. At a rotational speed of 800 rpm, corresponding to a peripheral speed of 600 cm/sec., fibers with a length of 2 to 3 mm and a diameter of 50 micrometers were formed. At a rotational speed of 1500 rpm, corresponding to a peripheral speed of 1100 cm/sec., fibers with a length of 25 to 30 mm and a diameter of 30 micrometers were formed. When using another top plate to define extrusion openings with a diameter of 110 micrometers, rotation speed 1160 rpm.

(tilsvarende periferisk hastighet 800 cm/sek.), ble det fremstilt fibre med 4 til 9 mm lengde og diameter 73 mikrometer, mens omdreiningshastighet 2180 o/min. (tilsvarende periferisk hastighet 1500 cm/sek.), frembragte 2 til 6 mm lange fibre med diameter 66 mikrometer. Temperaturen såvel som hastigheten påvirker fibrenes lengde, og selv om vi ikke har målt nøyaktige ekstruderingstemperaturer, var det smeltede materialets opprinnelige temperatur 400°C ved 1160 o/min. og 380°C ved 2180°C. (corresponding to a peripheral speed of 800 cm/sec.), fibers with a length of 4 to 9 mm and a diameter of 73 micrometres were produced, while a rotational speed of 2180 rpm. (corresponding peripheral speed 1500 cm/sec.), produced 2 to 6 mm long fibers with a diameter of 66 micrometers. Temperature as well as speed affects the length of the fibres, and although we have not measured exact extrusion temperatures, the initial temperature of the molten material was 400°C at 1160 rpm. and 380°C at 2180°C.

Vi har også fremstilt fibre av bly/tinn-eutektikum (dvs. 62% Sn, 38% Pb) ved ekstrudering gjennom 20 mikrometers åpninger ved en opprinnelig temperatur på 460°C. Ved omdreiningshastighet 1660 o/min. tilsvarende periferisk hastighet 1100 cm/sek., ble det dannet fibre med lengde 1 til 15 mm og diameter 18 mikrometer. We have also produced fibers of lead/tin eutectic (ie 62% Sn, 38% Pb) by extrusion through 20 micrometer openings at an initial temperature of 460°C. At a rotational speed of 1660 rpm. corresponding to a peripheral speed of 1100 cm/sec., fibers with a length of 1 to 15 mm and a diameter of 18 micrometers were formed.

Ved bruk av et 1aboratoriebenk-apparat som omfatter et roterende glassrør med lengde (dvs. spinnediameter) 6 cm og 20 mikrometers åpning i hver ende, har vi med vellykket resultat fremstilt sinkfibre med diameter 10 til 25 mikrometer og lengde 1,3 cm. Using a laboratory bench apparatus comprising a rotating glass tube with a length (ie spinning diameter) of 6 cm and a 20 micrometer opening at each end, we have successfully produced zinc fibers with a diameter of 10 to 25 micrometers and a length of 1.3 cm.

Claims

1. A process for the manufacture of metallic material which comprises extruding molten metallic material through an orifice into a transient unstable state, and stabilizing the unstable state by solidification.

2. A process according to claim 1 in which the metallic material is produced in the form of fibres.

3. A process according to claim 1 or claim 2 in which the unstable state is achieved by applying to the extruded material a pulling force in addition to the pushing extrusion force.

4. A process according to claim 3 in which the pulling force and the pushing force are centrifugal force.

5. Fibres, filaments or particles produced in accordance with the process described in one or more of claims 1 to 4.

6. Fibers, filaments or particles according to claim 5 with a diameter of 50 micrometers or less.

7. Fibers according to claim 6 with an aspect ratio in the range of 10 to 3000:1.

8. Fibers according to claim 7 with an aspect ratio in the range 50 to 500:1.

9. A composite material suitable for electromagnetic shielding comprising fibers according to claim 7 or claim 8 in a binder.

10. A composite material according to claim 9 in which the binder is a plastic material.

11. A composite material according to claim 10 in which the fibers form a separate mesh within the plastic material.

12. A composite material according to claim 11 in which the amount of metal fibers is 1 volume percent or less, and the fibers have a diameter of approx. 25 micrometers or less.

13. Apparatus for the production of metallic material where the apparatus comprises means for extruding molten metallic material, whereby the extruded material is formed in a transient unstable state which is then stabilized by solidification.

14. Apparatus according to claim 13 in which the extruding means comprises a rotatable container to contain a quantity of molten metallic material and provided at its periphery with one or more extrusion openings.

15. Apparatus according to claim 14 wherein the extrusion openings are 150 micrometers or less in diameter.