DE2018024A1 - Verfahren zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht und Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht und Vorrichtung zur Durchfuhrung des VerfahrensInfo
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Description
..'■■■ ■■■. - - ■..'■. !
-Aktiengesellschaft Brown, iSoveri £ Cie., Baden (Schwel?..)
Verfahren zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern
verstärktem Metalldraht und Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern
verstärktem Metalldraht und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Kohlenstoff ist in der Form von starken steifen Fasern erhältlich. Diese Fasern werden in einem Strang angeliefert,
welcher ungefähr 1O1OOO Fasern mit einem
Durchmesser von Je 8 bis 10μ enthält, wobei ,!ede der ■
Fasern eine Länge von bi3 zu 1000 m aufweist. Diese
Stränge weisen einen Querschnitt von ungefähr 5nim
Breite und 1 bis 2mm Dicke auf. Unter der Annahme, dass
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der Querschnitt des Stranges 5mm und der Querschnitt
von IO1OOO Fasern 0,5 bis 0,8 ram beträgt, ist es
ersichtlich, dass der Strang sehr lose gepackt ist. Ferner ist es bekennt, dass die Festigkeit von 1,'etallen
durch einlagern von starken Fasern in ihre Matrix erhöht werden kann. Jedoch i3t der Gewinn an Festigkeit
dann beachtlich, wenn der Volumenanteil der Fasern ungefshr 50'j, oder mehr beträgt. Die grosse Schwierigkeit
ist tiedoch die Erhöhung der Dichte der lose gepackten Stränge und die Einfügung derselben in die Äietallmatrix.
Ss r,ind bereits seit Jahren Fasern und Fäden der
verschiedensten Arten erhältlich und Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung und zum V/lckeln derselben
bekannt. Es wurden auch bereits erfolgreich Kohlenstoff-Fasern
in Kunststoff- oder Harzgrundgefüge eingelagert.
Die Einlagerung von Kohlenstoff-Fasern in eine Metallmatrix ist jedoch ein sehr neues Anwendungsgebiet. Es
wurden bereits Versuche gemacht, die Kohlenstoff-Fasern mit Aluminium zu plattieren und darnach die sich
ergebenden Platten heiss zu pressen, was jedoch sehr umständlich, zeitraubend und teuer ist.
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109830/
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens
zur kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht, mit welchem ein hoher
Voluraenantöil an Kohlenstoff-Fasern erzielbar ist.
Das erfindungsgein^sse Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass man einen Strang lose gepackter Kohlenstoff-Fasern durch eine zur Bildung des Metalldrahtes
dienende Metallschmelze leitet und darnach den mit letzterer durchtränkten Strang zur Verminderung seines
Querschnittes und Erhöhung der Packungsdichte d^r
Kohlenstoff-Fasern durch mindestens einen Zishstenroel
führt. ■
Es ist z.veckmä3sig, dass man mit Wickel überzogene
Kohlenstoff-Fasern verwendet und diese durch eine Metallschmelze
leitet, dsren Temperatur unterhalb der Schnelztemoeratur
von Nickel liegt. Vorzugsweise verwendet man dabei eine Metallschmelze mit solcher Zusammensetzung,
dass sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern aufgebrachten
Nickelschicht derart reagiert, dass die entstehenden Heaktionsprodukte die mechanischen Eigenschaften des
Verbundwerkstoffes nicht beeinträchtigen.
Es i3t Ziveckmössig, dass man den aus lose gepackten
Kohlenstoff-Fasern bestehenden Strang unter einem solchen
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fakuum oder Schutzgas durch die Metallschmelze leitet,
dass keine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten auftritt.
Vorzugsweise fügt man der Metallschmelze Legierungszusätze
bei, welche die spezifische Oberflächenspannung der Schmelze gegenüber den Kohlenstoff-Fasern erniedrigen.
Zweckm^ssigerv/else verringert man den Querschnitt des
aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden
Stranges beim Durchgang durch den Ziehstempel um soviel, dass der Volumenanteil der Kohlenstoff-Fasern mindestens 1Oy0
beträgt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche
dadurch gekennzeichnet ist, dass 3ie eine Zuführanordnung
zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern
bestehenden Stranges in die Metallschmelze , einen beheizten Behälter zur Aufnahme der letzteren, und
mindestens einen Ziah^terapel zur Durchführung des aus
mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden
Stranges, auf .ve ist.
Es ist zweckmässig, dass der Behälter zur Aufnahme der
Metallschmelze luftdicht verschlossen und mit mindestens
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einer Zuleitung versehen ist, um Im Behälter ein \Takuum
zu erzeugen oder ein Schutzgas in denselben einzuführen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform einer erflndungsgemSssen
Vorrichtung; und
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise
Au3führungsform einer erfindungsgemSsaen
• Vorrichtung.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist die erste beispielsweise Ausführungsform eine erfindungsgemäase Vorrichtung
eine Strangspule 1 zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges 2 in eine Metallschmelze 3, z.B. in eine Aluminiumschmelze, auf. Um
eine gute Benetzbarkeit der Kohlenstoff-Fasern durch
die Aluminiumsohmelze zu erzielen, sind die ersteren
vollständig mit Nickel überzogen« · .
Die Metallschmelze 3 befindet sich in einem durch die
Spule 4 beheizten Behälter 5, welcher luftdicht verschlossen ist und eine Zuleitung 6 zur Erzeugung eines
Vakuums in aeinem Innern aufweist.
■ „ : ' BAD ORIGINAL
109830/1TIA
Der Zioiistempel 7 zur Durchführung des Stranges und
Verminderung de.rjen Querschnittes ist im Boden dos
Behälters ζ en^eordnet, wo der hydrostatische Drvck
in der Alurainiumschmelze 3 am grössten ist. Im Ziehatenmel
7 i^t ferner ein Thermoelement 8 angeordnet,
du die Temperatur der am dtrtangaus&ritt sich befindenden
fästallschmelze sehr nahe beim Schmelzpunkt des fcetalles
liegen soll, so dasa noch alles Metall geschmolzen, iac,
,lecioch nach dem Austritt aus «Sem Ziehsterapel 7 erstarrt
idt. Im Zieliubempel 7 wird der Querschnitt des Stranges .?
so stark vermindert,, dass der Yolumenanteil der Kohlenstoff-Fasern
im aus dem Stempel austretenden Draht ° etwa 5°'/« betragt«,
Der aus dem Stempel 7 austretende DF9ht 9 verlauft auf der
anschliessendon Abkühlsfcrecke noch durch ein Rohr 1O9 4&s
zusam'ien mit dem Innern des B&nälters 5 unter einoüi Vakuum
von oWa 10 sun Ug genalten airä, um zu verhindern, äaus
eine Oxydation zwiscHsfi den einseinen komponenten auftritt,.
Am linde des ßohres 10 sind am Draht 9 anli03er.de
rinro 11 angeordnet, die sin eintreten von Luft in das
Inn3ro. des Jlohres lü verhindern.
D«r mit Kohlenstoff-Fasern varstfirkte Aluminlumdraht n ν-..γ
n»iOh dem Austritt atia^de-p. Hohr 10 z.B. auf eine -Spul· «<£f-
103330/1114 BADORiGlNAi
gespult werden.
Zur Ürzielung eines einwandfreien, mit Kohlenstoff-Fasern
verstärkten Drahtes 9 kann es zy/eckmässig sein, dass-man
der Aluininiumschmelze 3 Leglerungszusstze beifügt, weiche
die spezifische Oberflächenspannung der letzteren gegenüber
den Kohlenstoff -Fasern erniedrigen.
Bei der V/ahl der Metallschmelze 3 1st darauf zu achten,
da3S sie eine solche chemische Zusammensetzung aufweist,
dass sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern sich befindenden
Nickelschicht derart reagiert, dass die entstehenden Reaktionsnrodukte die mechanischen Eigenschaften des
Drahtes 9'nicht beeinträchtigen.
In Figur 2 ist eine'zweite beispielsweise Ausführungsforra
einer erfindungsgemSssen Vorrichtung dargestellt. Bei
dieser Vorrichtung wird der Strang 2 von der Spule 1 nach
unten in die Schmelze 3 geführt, ein Stück durch diele
hindurch geleitet, so dass die Kohlenstoff»Fasern vollständig
durch der Metallschmelze benetzt werden, und dann durch eine Umlenkspule 12 nach oben umgelenkt und durch
einen an der oberen Gehäusewandung befestigten Ziehstempel 7
gezogen. Die nach;dem Ziehstempel 7 anschliessende Abkühl-,
strecke wird durch ein mit dem .GehäuseInnern in Verbindung
109830/11U . BAD ORIGINAL
stehendes Rohr 10 noch ein Stück #eit unter Vakuum
gehalten. Am Ende des -Rohres 10 angebrachte Dichtungsringe
liegen dicht am gezogenen Draht 9 an und verhindern dadurch ein eintreten von Luft in das Innere des Rohres
10. Ueber die Zuleitung 6 wird das Innere des GehBuses
-4 beispielsweise bis auf einen Druck von 10 mm Hg evakuiert, um eine Oxydation zwischen den einzelnen
Komponenten zu verhindern.
Auch hier wird wie bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung
die im. Behälter 5 sich befindende Metallschmelze von au3sen durch eine Spule 4 beheizt.
Das erfindungsgernü3se Verfahren ist zum Beispiel zur
Verstärkung von Drähten aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Zink und anderen Metallen geeignet. Eine wichtige
Einschränkung ist, dass der Schmelzpunkt des zu verstärkenden Metalles nicht so hoch liegen 30llte, dass die
mechanischen Festigkeitseigenschaften der Kohlenstoff-Fasern beeinträchtigt werden.
Derart verstärkte Drähte können z.B. im Kraftleitungsbau
. verwendet werden. Unter Anwendung der bekannten 'Vickel-
verfahren können z.B. Röhren, Zentrifugenkörper und ähnliche Teile hergestellt v/erden. Die derart hergestellten
1 0 9 8 3 0 / 1 1 U BAD ORIGINAL
DrShte können statt einem runden Querschnitt auch
einen rechteckförmigen oder anderen ziehbaren Querschnitt aufweisen.
einen rechteckförmigen oder anderen ziehbaren Querschnitt aufweisen.
RAD 109830/1 IU BAU
Claims (1)
- - 10 - 8/70Patentansprüche1. Verfahren zur kontinuerlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht» dadurch gekennzeichnet, dass man einen Strang lose gepackter Kohlenstoff-Fasern durch eine zur Bildung des Metalldrahtes dienende Metallschmelze leitet und darnach den mit letzterer durchtränkten Strang zur Verminderung seines Querschnittes und Erhöhung der Packungsdichte der Kohlenstoff-Pasern durch mindestens einen Ziehstempel führt,2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mit einer Benetzungsschicht Überzogene Kohlenstoff-Pasern verwendet und diese durch eine Metallschmelze leitet, deren Temperatur unterhalb der Sehmelztemperatur des Benetzungsmaterials liegt.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenstoff-Pasern verwendet, die mit einer aus Nickel bestehenden Benetzungsschicht überzogen sind.4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Metallschmelze mit solcher Zusammensetzung verwendet, dass sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern aufgebrachten Benetzungsschicht derart reagiert, dass die entstehenden Reaktionsprodukte die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes nicht beeinträchtigt.■iüea3ii:/tiT4; ίΛ:; bad origin^- 11 - 8/70■5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2., dadurch gekennzeichnet, dass man eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallschmelze verwendet.6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man eine aus- Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehende Metallschmelze verwendet.7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Strang unter einem solchen Vakuum oder Schutzgas durch die Metallschmelze. leiteti dass keine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten auftritt.8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man die Metallschmelze unter einem Vakuum von mindestens 10~ mm Hg hält.9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Kohlenstoff ^-Fasern verwendet, deren Ausgangsmaterial Polyakrylnitril ist.10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der Metallschmelze Legierungszusätze, beifügt, welche die spezifische Oberflächenspannung der Schmelze gegenüber den Kohlenstoff-Fasern erniedrigen.109830/1114 BAD ORIGINAL— 12 - 8/7011. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strang lose gepackter Kohlenstoff-Fasern beim Austritt aus der Metallschmelze durch einen Ziehstempel führt.12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man den Strang nach dem Austreten aus dem Ziehstempel bis zu seiner Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur unter einem Vakuum hält.™ 13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man den Ziehstempel auf einer solchen Temperatur hält, dass das die Kohlenstoff-Fasern umgebende Metall des aus ihm austretenden Strnages nicht mehr flüssig ist.Ik. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Querschnitt des aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges beim Durchgang durch den Ziehstempel um soviel verringert, dass der Volumenanteil der Kohlenstoff-Fassrn mind. 10 % beträgt.15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zuführanordnung (1) zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges (2) in die Metallschmelze, einen beheizten Behälter (5) zur Aufnahme der letzteren, und mindestens einen Ziehstempel (7) zur Durchführung des aus mit Metall umgebenen Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges (2) aufweist.BAD ORIGINAL!0/1114- 13 - 8/7016. Vorrichtung nach Anspruch 15> dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehstempel (7) derart in der Behälterwand angeordnet ist, dass er während dem Betrieb der Vorrichtung auf der Einführseite von der Metallschmelze (3) überdeckt ist.17. Vorrichtung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, dass· Führungsmittel zur Führung des Stranges (2) durch die Metallschmelze (3) vorgesehen sind und der Ziehstempel (7) oberhalb derletzteren angeordnet ist.18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (5) zur Aufnahme der Metallschmelze (3) luftdicht verschlossen und mit mindestens einer Zuleitung versehen ist, um im Behälter ein Vakuum zu erzeugen oder ein Schutzgas in denselben einzuführen.Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.Leerseite
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