DE1685667A1

DE1685667A1 - Whisker-Einzelfaden und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1685667A1
Application number: DE19681685667
Authority: DE
Inventors: Withers James C; Shaver Robert G
Original assignee: GEN TECHNOLOGIES CORP
Current assignee: GEN TECHNOLOGIES CORP
Priority date: 1968-02-27
Filing date: 1968-02-27
Publication date: 1971-08-26

Description

"Whisker-Einzelfaden und Verfahren zu seiner Herstellung" Diese Erfindung betrifft einen kompakten, flexiblen, langlichen Whisker hoher Bestigkeit.
Der Gegenstand hat im allgemeinen die Form eines Einzelfadens oder einer Vielzahl von Einzelfäden, die zusammen in einem Träger oder einer Matrix verbunden sind. Jeder Einzelfaden beinhaltet eine Vielzahl von flexiblen Whiskern hoher Festigkeit aus metallisohen und nioht-metallisohen Oxiden, Karbiden, Nitriden, Siliciden und Boriden. Die Whisker in den Einzelfäden sind im wesentlichen in der tängsrichtung des Einzelfadens ausgericntet und mit einem Trägermaterial verdichtet.
Der Whisker-Einzelfaden der vorliegenden Erfindung Nird hergestellt durch Auswählen von Whisker mit einem Langenzu-Durchmes3er-Verhsltnis von wenigstens 250. Die Whisker besitzen ebenso ein Zwischenwhisker-Kräftemoment, das eine Innenverformung schafft, die ausreicht, die Whiskerausrichtung längs der vorbestimmten Achse der vorherrschenden Kräfte zu ermöglichen. Eine Vielzahl solcher Wni3ker werden dann einem Trockenspinnen unterworfen, um einen porösen verschlungenen Whisker-Roving herzustellen. Der Whisker-Roving wird dann mit einer Lösung eines Trägermaterials, gewöhnlich einem Harz oder glasähnlichen Material, imprägniert. Nach Verdampfen des Lösungsmittels und Härten des Harzes füllt das Trägermaterial die Hohlräume und Zwischenräume des Rovings und verringert wesentlich dessen Durchmesser unter Bildung eines kompakten Einzelfadens.
Typische Whisker-Verbindungen, die hier verwendet werden, sind Aluminiumoxid, Siliciumkarbid, Aluminiumnitrid, Aluminiumdiborid, Siliciumnitrid, Borkarbid, Bornitrid, Borsilicid, Wolframkarbid, Titandiborid, Titannitrid, Berylliumoxid und Berylliumborid. Diese Whisker haben die wslschenswertesten Eigenschaften, die notwendig sind, um kompakte, flexible, längliche Whisker-Einzelfäden hoher estig-. keit nach der vorliegenden Erfindung zu schaffen, vorzugsweise Yerden sie ausgewählt aus Aluminiumoxid, Siliciumkarbid und Siliciumnitrid mit einem Langen-zu-Durchmesser-Verhältnis im Bereich von ungefahr 250 bis 10 000.
Das Harzträgermaterial wird gewöhnlich aus Epoxiden, Polyestern und Polyamiden ausgewählt.
Ein bevorzugtes Whisker-Material für die hier vorgesehene Verwendung sind Siliciumkarbid-Whisker mit einem Langen-zu-Durchmesser-Verhältnis zwischen ungefähr 250 und 10 000.
Solche Whisker haben im allgemeinen Längen von ungefähr 1000 bis 10 000 Mikron und einen Durchmesser von ungefähr 1 bis 4 Mikron.
Vorzugsweise sind die Whisker die beta-Modifikaiton von Siliciumkarbid mit einem dreieckigen Querschnitt. Diese Siliciumkarbid-Whisker haben eine (lii) Kristallebene, die entlang der Länge angeordnet ist. Solche Siliciumkarbid-Whisker besitzen Zugfestigkeit in der Größenordnung von 1 Million psi (70 300 kg/cm2) und einen Elastizitätsmodul von ungefaar 100 Millionen.
Ein anderes, besonders wünschenswert es Whisker-Material ist alpha-Aluminiumoxid (Saphir), das in Längen von ungefähr 500 bis 5000 Mikron und mit einem Durchmesser von ungefähr 2 Mikron wächst.
Der erfindungsgemäße Einzelfaden wird in der nachfolgenden Weise hergestellt. Eine Vielzahl von Whiskerlängen werden durch Trockenverspinnen in ein orientiertes Garn oder einen Roving verschlungen. Der Roving wird dann mit einer Harzlösung eines Epoxyharzgemischs in Methylathylketon als Lösungsmittel imprägniert. Der harzimprägnierte Roving wird dann getrocknet zur Entfernung des Lösungsmittels durch Verdampfen und auf ungefähr eine B-Stufe der Polymerisierung gehärtet. Der sich ergebende kompakte Einzelfaden kann weiter verdichtet und ausgerichtet werden mittels Verstrecken, während er unter Zug und während er warm ist und abgeschreckt werden unter Last.
Ein typischer, so hergestellter Einzelfaden wird in einer Länge von 5 inch oder mehr hergestellt0 Die tatsächliche Länge hängt von der gewählten Anwendung des Fadens ab. In manchen Fällen ist es wünschenswert im wesentlichen kontinuierliche Fäden herzustellen und diese zu einer gegebenen Länge abzuschneiden. Die Fäden haben gewöhnlich einen Durchmesser von ungefähr 5 bis 30 mils (0,1265 bis 0,76 mm), obgleich eine beträchtliche Abänderung im Durchmesser nach dem beschriebenen Verfahren möglich ist. Die Dichte eines typischen Einzelfadens liegt in der Größenordnung von 0,06 lb./in.3 (0,0272 kg/16,387 cm3).
Es kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren irgendeine gewünschte Whisker-Konzentration in dem Endeinzelfaden, beispielsweise im Bereich von 5 bis 35 v/o gebildet werden.
Die Eigenschaften eines typischen Siliciumkarbid-Harzeinzelfadens einer 26 v/o-Whiskerkonzentration ist in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Das v/o-VerhäTtnis ist das Verhaltnis des Volumens der Whisker zu dem Volumen des Fadens.
Tabelle 1 Zugfestig-Zugfestig- keit Modul keit Modul Dichte Dichte #u(103psi) E (106psi) #u/p(106in) E/P (106in) [103 kg/cm2][106 kg/cm2] [106 mm] [106 m] 126 30,0 2,2 520 [8,86] [2,11] [55,88] [13,21] Der Einzelfaden der Tabelle I weist einen hohen Grad von Whisker-Ausrichtung in der Längsrichtung des Einzelfadens auf und ijt kom@akt und flexibel genug, um leicht bei der Herstellung in Verbundgegenstände einverleibt zu werden.
Beisielsweise können verschiedene Längen solcher Siliciumkarbid-Einzelfäden leicht zusammen in einem Ausmaß von zwei Umdrehungen pro inch (25 mm) verzwirnt und in ein Stück Kunststoffilm unter Bildung einer Verbundstruktur gewickelt werden. Nach Verdichten der Struktur und nach 1½ stündigem Härten bei 2400C wird ein Verbundgegenstand hoher Festigkeit hergestellt. Die Zugfestigkeit eines solchen Verbundstoffs bei einer Konzentration von 26 v/o ist 126 000 psi (8860 kg/cm2). Die durchschnittliche Whiskerbelastbarkeit bis zum Bruch ist ungefähr 504 000 psi (35 480 kg/cm2), wodurch aufgezeigt wird, daß eine Whisker-Wirksamkeit von ungefahr 50% der Zugfestigkeit der Whisker selbst erreicht wird.
In einer anderen erfindungsgernäßen Ausführungsform wird ein Glasträgermaterial anstelle des oben beschriebenen Harzes verwendet. In dieser Ausführungsform wird der ausgerichtete Whisker-Roving, wie er oben nergestellt wurde, zwischen einem weichen Glasstab und einer umgebenden Röhre eingeführt. Ber Stab wird dann zu einem 8,4 mil (0,211 mm) Einzelfaden verstreckt, der aus in Längsrichtung verteilten und ausgerichteten Whiskern in dem Glastrdger besteht. Das Ausmaß der Whiskerausrichtung in dem Einzelfaden ist hervorragend. Die Whiskerkonzentration und die Eigenschaften sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 [103kg/cm2] [106 kg/cm2] [106 mm] [106 m] v/o (103psi) E(106psi) (106in) E/ (106 in) 10 24 19 0,3 200 (1,68) (1,33) (7,6) (5,08) In anderen Ausführungsformen der Erfindung können Whisker mit einem Beschichtungsmittel zum besseren Verbund zwischen den Whiskern und dem Trägermittel beschichtet werden. Weiterhin können ebenso sekundäre Trägermaterialien in den Einzelfaden, wie eine viskose Flüssigkeit, soweit notwendig, zur besseren Whisker-Trägeradhäsion eingeschlossen werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Kompakter, langgestreckter, flexibler Whisker-Einzelfaden eezeichnet durch eine Vielzahl verschlungener Whisker hoher Festigkeit aus metallischen und nicht-metallischen Oxiden, Karbiden, Nitriden, Siliciden und Boriden mit einem Längen-zu-Durchme ss er-Verhältnis von wenigstens ungefähr 250, wobei die Whisker im wesentlichen in der Längsrichtung des Einzelfadens ausgerichtet sind und einem Trägermaterial £r die lhisker.
2. Gegenstand gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daX das Trägermaterial ein Harz oder Glas ist.
3. Gegenstand gemä# Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da# das Trägermaterial die Bücken und Zwischenräume zwischen dem ausgerichteten Whisker ausfüllt und dadurch ein kompakter Einzelfaden gebildet ist.
4. Gegenstand gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichn,et daß die Whisker aus Siliciumkarbid, Aluminiumoxid und/oder Siliciumnitrid bestehen.
5. Gegenstand gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis der Whisker im Bereich von 1000 bis 10 000 liegt.
6. Gegenstand gemä# Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da# der Durchmesser des Einzelfadens 5 bis 30 mils (0,265 bis 0,76 mm) ist.
7. Gegenstand gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lange des Einzelfadens 5 inch. (12,7 cm) oder mehr ist.
8. Gegenstand gemä# Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker-Konzentration im Bereich von 5 bis 35 v/o liegt.
9. Gegenstand gemä# Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da# der Modul in der Grö#enordnung von 30 x 106 psi (2,11 kg/cm2) liegt.
10. Gegenstand gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da# die Zugfestigkeit des Einzelfadens in der Grö#enordnung von 100 x 103 psi (7,03- kg/cm2) ilegt.
11. Gegenstand gemä# Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da# die Dichte des Einzelfadens in der Größenordnung von 0,06 lb.in.3 (0,0272 kg/16,387 cm3) liegt.
12. Gegenstand gemäß Anspruch 1 durch gekennzeichnet, das eine Vielzahl von Einzelfäden, wie im Anspruch 1 erläutert und ein Matrixmaterial für die Einzelfäden eingeschlossen werden.
13. Verfahren zur Herstellung von Whisker-Einzelfäden hoher Festigkeit gemä# Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, da# man eine Vielzahl von Whisker in einen porösen Whisker-Roving trocken-verspinnt, den Roving mit einer Lösung eines Harzträgermaterias imprägniert, das Lösungsmittel verdampft und das Harz teilweise härtet, wodurch ein kompakter, ausgerichteter Einzelfaden hergestellt wird 74. Verfahren gemä# Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, da# es eine zusa-tzliche stufe des Verstreckens des Einzelfadens unter Zug zur weiteren Verdichtung und Whisker-Ausrichtung umfa#t.