DE2756014A1

DE2756014A1 - Verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2756014A1
Application number: DE19772756014
Authority: DE
Inventors: Karl Michael Prewo
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1976-12-17
Filing date: 1977-12-15
Publication date: 1978-06-29
Also published as: GB1562269A; FR2374163A1; IL53514A; IL53514A0; BE861497A; US4110505A; FR2374163B1; SE7714254L; CA1076759A; JPS5376904A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, der aus einem Aluminiumgrundmaterial besteht, in das mehrere Schichten von Fäden eingebettet sind, und einen so aufgebauten Verbundwerkstoff.

Ein in der US-PS 3 984 043 beschriebenes Sehnellverbindungsverfahren macht es möglich, einen Verbundwerkstoff mit einem Aluminiumgrundmaterial, das durch mehrere parallele

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Schichten von unidirektionalen Fäden verstärkt ist, in Luft herzustellen. Dieses "Luftverbindungs"-Verfahren beinhaltet das Positionieren von mehreren Einschichtbändern, die jeweils aus einem mit Fäden verstärkten Aluminiumgrundmaterial bestehen, in einem Stapel und das anschließende Pressen des Stapels zwischen beheizten Platten bei hohen Drücken in Luft, um das Grundmaterial zu verdichten, wobei die Plattentemperatur eine unlösbare Verbindung des Grundmaterials mit den Fäden hervorruft. Im Stand der Technik wird davon ausgegangen, daß Einschichtbänder am besten durch Verbinden der Fadenschicht mit einer Aluminiumträgerfolie durch einen plasmagespritzten Metallüberzug, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt werden können.

Ziel der Erfindung ist es, weniger teuere Formen von Bändern zu schaffen, die gleich akzeptable Verbundwerkstoffe ergeben.

Die Erfindung schafft ein Einschichtfadenband, das aus parallel angeordneten Fasern, vorzugsweise Borfasern, besteht, die mit einem Aluminiumfoliensubstrat durch ein Harzbindemittel verbunden sind. Dieses Band kann zum Herstellen eines gestapelten, hochfesten Verbundwerkstoffes mit metallischem Grundmaterial benutzt werden, das durch Zusammendrücken zwischen beheizten Platten mit hohem Druck und bei einer Temperatur, die unterhalb der Liquidustemperatur des Aluminiumgrundmaterials liegt, in sich verbunden und verdichtet wird. Bei diesem Band

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kann das Zusammendrücken in Luft erfolgen, wie in der oben genannten US-PS 3 984 043, wodurch das Erfordernis einer Vakuumkammer für den Verdichtungsprozeß sowie die lange Zeitspanne zum Auspumpen der Kammer und zum anschlies· senden Erhitzen in dem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre vermieden werden.

Gemäß der Erfindung wird das Band hergestellt, indem eine einzige Schicht von parallel ausgerichteten Fasern auf einem Aluminiumfoliensubstrat angeordnet und ein Harzbindemittel aufgebracht wird, um die Fasern mit der Folie zu verkleben. Nur eine geringe Menge an Bindemittel wird benötigt, da es nur zum Festhalten der Fasern an dem Substrat während des Zusammenlegens von mehreren Bändern zu dem zu verdichtenden Verbundwerkstoff benötigt wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Bandes,

Fig. 2 eine Endansicht eines Stapels von Bändern, und

Fig. 3 eine Endansicht des fertigen Verbundwerkstoffes nach dem Verdichten.

Ein besonderes Verfahren zum Zusammensetzen und Verbinden von mehreren übereinander gestapelten Bändern ist in der

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oben genannten US-FS 3 984 043 beschrieben, gemäß welcher das Zusammensetzen und unlösbare Verbinden in Luft erfolgt, wodurch sich eine billige und schnelle Verbindung mit geringeren Beschränkungen hinsichtlich der Größe des fertigen Verbundwerkstoffes herstellen läßt, da die Größe des fertigen Verbundwerkstoffes nur durch die verfügbare Presse und nicht durch die Größe der verfügbaren Vakuumkammern wie in dem Fall, wo die Verdichtung im Vakuum erfolgt, begrenzt wird. Das Band nach der Erfindung ist eine vereinfachte Ausführungsform desjenigen Bandes, das in diesem Verfahren benutzt werden kann und welches selbst einfach herstellbar ist und wenig kostet.

Zur Herstellung dieses Bandes werden mehrere Fäden oder Fasern 2, vorzugsweise aus Bor, aus Siliciumcarbid oder aus mit Siliciumcarbid überzogenem Bor in einer einzigen Schicht auf einem Substrat aus einer Aluminiumfolie parallel angeordnet. Die Fäden sind nicht miteinander in Berührung und sie werden an dem Aluminiumsubstrat 4 durch ein Polystyrol- oder anderes Harzbindemittel 6 befestigt, das auf die Fasern aufgesprüht werden kann. Ein *'Nicrobraze^H-Klebstoff ist ein weiteres Harz, das benutzt werden kann. Es wird kein Versuch gemacht, die Fasern vollständig mit dem Harz zu bedecken, da letzteres hauptsächlich dazu dient, die Fasern nur während des Zusammensetzens des Bandes zu dem Verbundwerkstoff und während des anschließenden Preßvorganges in ihrer Lage in dem Band zu halten. Die Fasern können daher

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In gewissem Ausmaß frei von dem Harz sein, wie In Fig. 1 gezeigt.

Das vollständige Band wird in Streifen von geeigneter Größe geschnitten, die übereinander gestapelt werden, um den Verbundwerkstoff aufzubauen, und der zusammengesetzte Stapel 8 (Fig. 2) wird dann erhitzt und verdichtet, um den fertigen Verbundgegenstand 10 (Fig. 3) wie in der oben angegebenen US-PS 3 984 043 herzustellen. Es wurde erwartet, daß das Bindemittel während des Erhitzens oxydieren und einen schädlichen kohlenstoffhaltigen Rest zurücklassen würde, der ein vollständiges Verbinden der Aluminiumsubstrate mit einander und mit den Fasern verhindern würde und daß die Fasern während des Zusammendrückens oxydieren wurden. Da nur eine geringe Menge des Harzes zum Festhalten der Fasern an dem Foliensubstrat benutzt wird, wird der kohlenstoffhaltige Harzrest minimiert und erweist sich als unschädlich. Weiter scheint die Verformung des Aluminiumsubstrats während der Verdichtung des Verbundwerkstoffes jeden kohlenstoffhaltigen Rest aufzubrechen, so daß sich eine ausreichende Verbindung ergibt. Die erwartete Oxydation der Fasern scheint durch die kurze Erhitzungszeit bei der Verdichtung vermieden oder minimiert worden zu sein. Die Oxydation wird außerdem durch die umgebende reduzierende Atmosphäre minimiert, die infolge der Oxydation des Bindemittels während der Verdichtung vorhanden ist. Diese Oxydation des Bindemittels bildet CO und CO₂, beides reduzierende Gase, die die Luft in dem Verbundwerkstoffstapel ersetzen

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und mit fortschreitender Zusammendrückimg ans den Schichten hinausgedrückt werden.

Ein besonderes Band dieser Art wurde aus 142,24.ue-Borfasern in Parallelanordnung in einer einzigen Schicht auf einem 25,4yum>6061-Aluminiuralegierungsfoliensubstrat hergestellt und ein Polystyrolharzbindemittel wurde in einem dünnen Film aufgespritzt. Diese Bänder wurden dann zerschnitten und übereinander gestapelt, um den Verbundwerkstoff zu bilden, und zusammengedruckt, wie in der oben genannten US-Patentschrift angegeben.

Diese Bänder und der sich ergebende Verbundwerkstoff sind beträchtlich billiger als das aus der US-Patentschrift bekannte plasmagespritzte Band· Es wurde ursprünglich erwartet, daß dieses harzgebundene Band bei dem "Luftverbindungs"-Verfahren, das aus dieser US-Patentschrift bekannt ist, nicht verwendbar sein würde, weil 1) das Bindemittel in Luft verbrennen und einen kohlenstoffhaltigen Rest zurücklassen würde, der die Aluminium-Bor-, Aluminium-Silicium-(wenn die Pasern mit Silicium überzogene Borfasern wären) und die Aluminium-Aluminium-Verbindungen, die für einen akzeptablen Verbundwerkstoff erforderlich sind, stören würde und weil 2) die Borfasern durch die Luft oxydiert werden würden, weil keine undurchlässige metallische Schutzschicht vorhanden ist, die mit des plasmagespritzten Oberzug vergleichbar 1st.

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r Keines dieser Probleme hat sich als ernst erwiesen.

Da nur eine geringe Menge an Bindemittel erforderlich ist, ist, obgleich das Harzbindemittel verbrennt, die Menge an kohlenstoffhaltigem Rest so minimal, daß sie unschädlich ist. Außerdem bewirkt während des Verdichtens und Verbindens die Verformung der Aluminiumsubstrate das Aufbrechen jeder kohlenstoffhaltigen Schicht und ermöglicht ein ausreichendes Verbinden. Schließlich schützt das Harz, wie oben angegeben, die Fasern vor Oxydation, da die bei dem Verbrennen des Harzes gebildeten Gase CO und CO₂ eine reduzierende Atmosphäre in der Nachbarschaft der Fasern erzeugen.

Die Ergebnisse von Tests zeigen, daß diese harzgebundenen Bänder beinahe gleich den plasmagespritzten Bändern in dem verdichteten Verbundwerkstoff sind, wie der folgende Vergleich zeigt:

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Band

Faser

Bindemittel

ktmos-

Tafelgröße (mm)

Faserfestigkeit (kp/cm2)

Band Verbund-Werkstoff

Torsionstest

Dreipunkt-

blegefestlgkelt

(kp/cm²)

gemessen

50% Faser

142,24 pn B

Plasmaspritzen

Luft

51x127

41900-2250

Ausgezeichnet

26190

25030

142,24 um B

"Nlcrobraze"« Klebstoff

Luft

51x127

33260+6400

37400Ϊ7730

Ausgezeichnet

23230 22780

22080

Polystyrol

Luft

51x127

3347016610

34310+5340

Ausgezeichnet

22150 24760

22080

IO

"J cn cn ο

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Die Daten wurden mit Verbundwerkstoffen erhalten, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt und in Luft in sich verbunden worden sind. Die Faserfestigkeiten und die Torsionsleistungen zeigten alle im Vergleich zu den plasmagespritzten Verbundwerkstoffen eine ausgezeichnete Materialfestigkeit. Die Ergebnisse dieser Tests zeigen, daß aus Bändern dieser Art aufgebaute Verbundwerkstoffkonstruktionen nicht nur beinahe gleich den aus plasmagespritzten Bändern aufgebauten sind, sondern auch für jeden gegenwärtig bekannten Verwendungszweck von dieserArt von Bändern und daraus hergestelltem Verbundwerkstoff ausreichen werden.

Der Verbundwerkstoff ist zwar als aus mehreren übereinander gestapelten Bändern hergestellt beschrieben worden, es kann jedoch Fälle geben, in welchen der fertige Verbundwerkstoff nur eine einzige Fadenschicht enthält. In diesem Fall wird das fertige Band, wie es oben beschrieben worden ist, mit einer weiteren Aluminiumfolie bedeckt und diese Anordnung wird dann zwischen Platten gebracht und in derselben Weise erhitzt und verdichtet wie ein aus mehreren Bändern bestehender Stapel verdichtet und in sich verbunden wird. Das Zusammensetzen erfolgt in derselben Weise wie bei einem mehrschichtigen Stapel. Das heißt, die Erhitzung führt zur Verdampfung und Oxydation des Harzes zwischen den beiden Aluminiumfolien und durch die Verdichtung werden jegliche kohlenstoffhaltigen Ablagerungen aus dem Harz aufgebrochen, was eine zufriedenstellende Verbindung zwischen den Folien gestattet,

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wenn sie zwischen den Fäden miteinander in Berührung kommen. Die Aluminiumdeckfolie dient daher demselben Zweck, dem die Folie des nächsten oberen Bandes in einem Mehrbandstapel dienen würde.

Es sei angemerkt, daß in einem MehrbandstapeI das
oberste Band des Stapels oder die obere Fläche des Stapels, wenn sie größer ist als das oberste Band, mit einer Folie 12 bedeckt wird, so daß alle Fäden des gesamten Stapels auf allen Seiten durch Aluminiumfolie eingeschlossen sind. Die oberste Folie dient dazu, die reduzierende Atmosphäre um die obersten
Fäden aufrechtzuerhalten und diese Fäden zu umschließen, wenn der Stapel verdichtet wird.

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Claims

Patentansprüche ι

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus einem Aluminiumgrundmaterial mit mehreren darin eingebetteten Schichten von Fäden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Bilden einer einzigen Schicht von parallel ausgerichteten Fäden,

Befestigen der Schicht an einem Aluminiumfoliensubstrat durch ein Harzbindemittel, um ein Band herzustellen, Zusammensetzen eines Stapels dieser Bänder, um ein Verbundgebilde herzustellen, und

Verdichten und Miteinanderverbinden der Bänder durch Erhitzen und Pressen in Luft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichten und Verbinden durch Pressen zwischen

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beheizten Platten ausgeführt werden.

3. Presse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine reduzierende Atmosphäre um die Fasern herum durch Erhitzen des Harzbindemittels während der Verdichtung erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammensetzen zu einem Stapel mit wenigstens einer Bandschicht und einer Aluminiumdeckfolie ausgeführt wird, um das Verbundgebilde herzustellen, und daß anschließend diese Folien um die Fäden herum verdichtet und unlösbar miteinander verbunden werden, indem der Stapel in Luft erhitzt und gepreßt wird.

5. Verbundwerkstoff aus mehreren Bändern, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Band enthält: ein Aluminiumfoliensubstrat, eine einzige Schicht von auf dem Substrat parallel ausgerichteten Fäden und ein Harzbindemittel, das die Fäden an dem Substrat festhält, wobei die Bänder zu einem Stapel übereinander gestapelt sind, der aus abwechselnden Folienschichten mit dazwischen angeordneten einzelnen Fadenschichten besteht und erhitzt wird, um das Bindemittel zu oxydieren, und zusammengedrückt wird, um alle kohlenstoffhaltigen Reste des Bindemittels aufzubrechen und das unlösbare Verbinden der benachbarten Folienschichten mit einander zwischen den Fäden zu dem Verbundwerkstoff hervorzurufen.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß das Harzbindemittel nur einen Teil der Fäden und der Oberfläche des Substrats zwischen ihnen bedeckt.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus Bor bestehen.

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