DE1925009A1

DE1925009A1 - Faserverstaerkter Verbundwerkstoff und daraus hergestellte Koerper

Info

Publication number: DE1925009A1
Application number: DE19691925009
Authority: DE
Inventors: Lambe Keith Albert Dale; Bowen Dennis Herbert; Sambell Ronald Alfred James; Mattingley Neville John
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-05-16
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1969-11-20
Also published as: SE343284B; DE1925009C3; CA952133A; NL6907462A; BE733097A; FR2014130A1; DE1925009B2; GB1272651A; DK124675B; ES367287A1; AT314132B; US3681187A; CH520083A

Description

PATENTANWALT ' " Telefon. (0271) 324W DIPL-ING. ERICH SCHUBERT Ter._ar«_mn,Ad,: IOOCnnn Postscheckkonten:

vf JL O U U 9 KSIn 106931, Essen 20362

Bankkonten:

Deutsche Bank AG.* Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner StraBe 227

Postfach 325 Filialen Siegen u. Oberhäuten (RhId.)

69 079 Kü/Schm H. MAl 1369

United Kingdom Atomic önergy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W. 1, England

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus den britischen Patentanmeldungen Nr. 23461/68 vom 16. Hai 1968 und Nr. 46876/68 vom 2. Oktober 1968 in Anspruch genommen.

Faserverstärkter Verbundwerkstoff und daraus hergestellte Körper

Background der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundwerkstoffe bzw, zusammengesetzte Materialien, d.h. auf Werkstoffe, die eine Matrix bzw. einen Stützaufbau aufweisen, welche oder welcher mit einem faserigen oder Fasermaterial verstärkt ist. Ein solches zusammengesetztes Material ist ein Epoxyharz, welches mit Glasfasern verstärkt ist, und dieses Material bzw. dieser Werkstoff ist nunmehr weitbekannt. Dieses Material hat Eigenschaften, die im allgemeinen entweder der Matrix oder dem verstärkenden Material überlegen sind, und es hat beispielsweise eine höhere Zugfestigkeit als das Harz, und es ist widerstandsfähiger gegenüber mechanischen Stößen als eine der Komponenten. Leider hat dieses Material keine adäquaten bzw. ausreichenden Hocntemperatureigenschaften.

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BAD OHSG3NAL

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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen neuen oder verbesserten Verbundwerkstoff zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verbundwerkstoff geschaffen, der aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Glas besteht. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf aus einem solchen Verbundwerkstoff bestehende Körper, z.B. stark abschreckfähige Glaskörper, elektrische Isolatoren oder Leiter, Schichtmaterialkörper, durch Spritzen, Pressen, Gießen, Walzen oder otrangpressen hergestellte Körper und Geräte.

Es ist bekannt, daß Kohlenstoffasern durch die kontrollierte thermale Degradation und Oxydation von organischen Pasern, insbesondere von synthetischen Polymerfasern, hergestellt werden können. Es wird vorgezogen, solche Kohlenstoffasern zu verwenden, die eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul haben und durch die Degradation von PoIyacrylonitrilfasern erzeugt werden, beispielsweise durch das Verfahren nach der britischen Patentschrift 1 110 791.

Eine Reihe unterschiedlicher Gläser bzw. Glassorten kann als Matrixmaterial gemäß der Erfindung verwendet werden, und es versteht sich, daß die sich ergebenden Zusammensetzungen unterschiedliche Eigenschaften je nach den Eigenschaften des Glases haben werden. Um Zweifel auszuräumen, erscheint es zweckmäßig, den Ausdruck "Glas", wie er in diesem Zusammenhang verwendet wird, so zu definieren, als sei darunter ein anorganisches Oxyd oder ein Gemisch von Oxyden zu verstehen, welches während der Fabrikation auf eine solche Temperatur gebracht wird, daß die Masse im wesentlichen geschmolzen wird und dann gekühlt werden kann, um die Kasse zu verfestigen, ohne daß eine Kristallisation des Hauptteils der Hasse eintritt. Es sei darauf hingewiesen, daß es innerhalb des Erfindungsbereiches liegt, ein Glas, wie es oben beschrieben

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BAD ORiGiMAL

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wurde, zu nehmen bzw. von einem solchen auszugehen, es auf eine Teilchenform zu reduzieren und dann in eine feste Masse bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes wieder überzuführen. Es sei außerdem klargestellt, daß die überwiegende Hehrzahl von Gläsern ke inen scharf abgesetzten Schmelzpunkt haben,sondern erst erweichen und dann fließen, da sie naturgemäß ihrem Wesen nach unterkühlte Flüssigkeiten sind. Ferner sollte klargestellt werden, daß das Glas auf das anfängliche Schmelzen hin wärmebehandelt werden kann, um es dazu zu bringen, zu nukleieren oder zu kristallisieren, ohne daß dadurch der Bereich der hier verwendeten Definition des Glases verlassen wird. Es sei daher mit Nachdruck darauf hingewiesen, daß die Verwendung des Ausdrucks "Glas" nicht unbedingt bedeutet, daß in der Zusammensetzung das Matrixmaterial entweder transparent oder ein Einphasenmaterial ist.

Artikel, Körper oder Erzeugnisse aus dem Verbundwerkstoff können durch Spritzen, Pressen, Gießen, Walzen oder Strangpressen hergestellt werden, und in eines gewissen Stadium der Herstellung wird auch eine Behandlung mit relativ hoher Temperatur zwangsläufig notwendig sein. So kann im wesentlichen das Glas in einem geschmolzenen Zustand zwischen Kohlenstoffasern infiltriert werden, oder eine Masse, die pulverisiertes Glas und Kohlenstoffasern aufweist, kann entweder heißgepreßt oder kaltgepreßt und dann wärmebehandelt werden, um die notwendige Zusammensetzung zu ergeben.

Es versteht sich daher, daß viele Verschiedenartigkeiten des Glases gemäß der iSrfindung verwendet werden können, wobei

das bestimmte Glas wegen seiner Eigenschaften ausgewählt wird. So kann es erwünscht sein, ein Glas auszuwählen, welches einen relativ hohen Flüssigkeitsgrad hat, wenn die Infiltrationstechnik verwendet vird, oder es kann erwünscht sein, ein Glas auszuwählen, welches einen niedrigen Schmelzpunkt hat, wenn die Heißpreßtechnik verwendet wird. Andererseits sind die physika-

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lischen Eigenschaften des Glases im endgültigen Produkt von Bedeutung, und es kann daher wünschenswert sein, ein Glas auszuwählen, wie beispielsweise ein Borsilikatglas, welches eine Wärmeausdehnung nahe derjenigen von Kohlenstoffasern aufweist. Alternativ kann es erwünscht sein, ein Glas auszuwählen, das eine sehr hohe Festigkeit und Härte bei hohen Temperaturen hat, wie beispielsweise ein nukleiertes bzw. kernreiches Glas. Es 'ergibt sich, daß daher ein weiter Bereich von Abänderungen in den Glaszusammensetzungen möglich ist, und gewisse Details davon werden im Nachfolgenden angegeben*

Der in der Zusammensetzung zu verwendende Anteil von Kohlenstoffasern ist abhängig von den geforderten Eigenschaften der Zusammensetzung, wird aber im allgemeinen im Bereich von 10 - 70 Volumenprozent liegen. Die Kohlenstoffasern können in Form von relativ kurzen Längen, z.B. 0,5 - 10 mm, oder von' großen durchgehenden Längen sein, d.h. sich bis zu den vollen Abmessungen der Zusammensetzung erstrecken, und in der endgültigen Zusammensetzung können diese Kohlenstoffasern ausgerichtet oder willkürlich orientiert sein. Ein Verfahren des Einbringens besteht darin, daß die Pasern mit einem Brei oder einer Dispersion eines feinen Glaspulvers gemischt werden, daß das Gemisch getrocknet und dann, wie oben erwähnt, heiß oder kalt gepreßt wird. Ein Alternativverfahren besteht darin, einen kontinuierlichen Strang von Kohlenstoffasern mit pulverisiertem Glas in Form eines Breies, der einen Anteil eines organischen Binders enthält, zu imprägnieren. Der imprägnierte Strang wird dann getrocknet und der Verbundwerkstoff daraus, wie oben beschrieben, geformt.

Beschreibung, der bevorzugten'Ausführungsformen

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nunmehr ■ einige Ausflihrungsbeispiele beschrieben.

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BAD ORIGINAL

Es sei zunächst darauf hingewiesen,, daß die Herstellungsverfahren nicht innerhalb des Bereiches der Erfindung liegen, sondern hier nur der Yollständigkeit halber besenrieben werden.

Zur Herstellung von Zusammensetzungen mit kurzen faserlängen wird es vorgezogen, die Technik der deutschen Patentan~ meldung P 19 16 850.4 anzuwenden,, wobei ein Brei aus Kohlenstoffasern, Glaspulver, organischen Bindern und lösungsmittel hergestellt wird, und dieser Brei unter Anwendung einer Abstreif- oder Rakeltechnik auf einen Träger gegossen wird, um eine Schicht oder Folie von etwa 1 mm Dicke zu bilden, die durch Herausnahme des Lösungsmittels getrocknet wird. Ein typisches Gemisch ist folgendes;

Glaspulver 90 cm

3 mm lange Kohlenstoffasern 10 cm Polyvinylacetat 20 g

Acrylepoxyharz 10 g

Methylethylketon (lösungsmittel) bis zu einer Viskosität von 40 Poise.

Nach dem Trocknen kann die Schicht bzw. Folie vom_; Träger abgestreift und bearbeitet werden. Massen-Probestücke können durch Heißpressen einer- Anzahl von Folien in einer Matrize hergestellt werden. Um eine Ausrichtung; der Fasern zu erzielen, kann in der Nahe des Abstreifer- bzw¹. Schaberspaltes ein Kamm angeordnet werden.

Die obige Technik kann auch dazu verwendet werden, Folien oder Schichten herzustellen, die keine Kohlenstoffasern enthalten, und diese Folien oder Schichten wurden, wie naiihfolgend beschrieben, verwendet*

Zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die kontinuierliche Fasern enthalten, wird es vorgezogen, die Technik bzw. das Verfahren nach der britischen Patentanmeldung 52023/68 anzuwenden, bei welchem eine kontinuierliche Länge von Kohlenstoff asern über und unter Spreizwalzen gezogen wird, um ein Band zu bilden, sowie in ein Bad, welches Glaspulverbrei enthält, während weiterer Brei auf das Band gesprüht wird. Überschüssiger Brei wird von dem Band durch Falzen entfernt, und es wird dann, während es noch feucht Ist, auf eine flachseitige Trommel gewickelt, so daß die Wicklungen zusammenbinden. Nach dem Trocknen bei etwa 80°C wird das Material von der Trommel abgenommen» Ein typisches Gemisch ist folgendes:

Glaspulver 5 Volumenprozent

Polyvinylacetat 10 Volumenprozent Fethyläthy!keton 85 Volumenprozent

Bei einer Abänderungsform der oben beschriebenen Verfahren wird ein kontinuierlicher Strang aus Kohlenstoffasern durch den Brei hindurch und unter dem Abstreifmesser gefördert,' um eine Folie oder Schicht zu erzeugen, die ausgerichtete kontinuierliche Fasern enthält»

Als Alternative kann der Strang (nach leichter Trennung der Fasern) mit Glaspulver überzogen werden, und zwar unter Verwendung der Elektrophorese aus einer Suspension in Methylalkohol unter einem elektrischen Feld von 4 Volt/cm- Das Bündel von Fasern wird dann getrocknet und wie beschrieben behandelt.

Diese verschiedenen Verfahren ermöglichen; Faserkon^entrationen bis zu 70 $.

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Normalerweise wurde das Heißpressen bei der Fabrikation der Verbundwerkstoffe unter Verwendung von Edelstahl- oder Graphitmatrizen angewandt, gelegentlich mit einer Molybdänfolie für die Oberflächenglättung. Die Matrizen wurden auf normale Weise durch Widerstands-Heizelemente oder durch induktive Kopplung erwärmt.

Bei den nunmehr zu beschreibenden Verbundwerkstoffen nach der Erfindung beziehen sich die ersten Beispiele auf ein Borsilikatglas.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde ein Borsilikatglas verwendet, und dieses hatte die folgende Zusammensetzung (nach Gewicht):

Siliciumoxyd	80,2 Jh
Boroxyd	12,3 $
Aluminiumoxyd	2,6 £
Calciumoxyd	0,1 #
Hatriumoxyd	4,5 fo
Kaliumoxyd	0,3 *

Die Hersteilungstechnik war etwas anders als die oben beschriebenen, und bei diesem Beispiel wurde das Glaspulver (kleiner als 53/i) mit Isopropylalkohol in einen Brei verwandelt, und Kohlenstoff fasern in einer Menge bis zu 10 Volumenprozent des Glases wurden bei Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsmixers vermischt. Die verwendeten Kohlenstoffasern hatten eine äußerste Zugfestigkeit von 1,6 GNm und einen Elastizi-

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tätsmodul von 360 GHm . Sie hatten einen Durchmesser von etwa 8/u und waren auf 5 - 10 mm lange Stücke zerhackt.

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BAD

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Nach dem Mischen wurde überschüssiger Alkohol durch Vakuumfiltrierung abgezogen, um eine Paste zu erhalten, die in eine Graphitmatrize eingepackt wurde. Die Paste in der Matrize wurde dann vakuumgetrocknet und durch Vakuum-Heißpressen bei 800⁰C und 7,0 MNm ein paar Minuten lang verdichtet.

Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes werden mit denjenigen des Glases in Tabelle 1 verglichen.

Tabelle 1

! Material Borsilikatglas I Glas +

j 10$ Pasern

spez. Widerstand SIm

Festigkeit ι Brucharbeit

300

Es ist ersichtlich, daß das Material von einem guten elektrischen Isolator in einen leiter verwandelt wird und seine Brucharbeit, die ein Maß für seine Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Stoßen und Wärmeschocks ist, wird um nahezu zwei Größenordnungen erhöht. Es kann mit 55O⁰C ohne Beschädigung in kaltes Wasser getaucht werden', während gewöhnliches Borsilikatglas einer solchen Behandlung nicht widerstehen kann.

Beispiel 2

Bei diesem Eeispiel hatte das verwendete Borsilikatgläs eine etwas andere Zusammensetzung, und zwar wie folgt in Gewichtsprozent:

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BAD

Siliciumoxyd	74,7
Boroxyd	13,4
Aluminiumoxyd	3,9
Calciumoxyd	0,8
llatriumoxyd ,	5,9
Kaliumoxyd	0,8
Magnesiuraoxyd	0,5

Bei diesem Beispiel wurde ein kontinuierliches Tuch mit dem Glas durch Elektrophorese, wie oben beschrieben, überzogen, um 40 Volumenprozent des Glases einzubringen. Nach der Wärmebehandlung, wie im Beispiel 1, hatte das Material die in Tabelle 2 aufgezeigten Eigenschaften:

Tabelle 2

i ! Material	Festigkeit MNm"²	Brucharbeit Jm *
Glas	88	3
Glas + 40$ Pasern	190-240	2 χ 10³ ..... ■ ■ ■ ~-\
Teakholz	87	6 χ 10³

Es ist ersichtlich, daß das Material der Erfindung zweimal so stark wie gewöhnliches Glas ist und eine Brucharbeit von mehr als dem Tausendfachen hat. Es ist in Wirklichkeit mehr wie ein unnachgiebiges Fasermaterial, wie beispielsweise Holz, hat aber dennoch Hochtemperatureigenschaften.

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- 10 -.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wurde Pyrex-Glas (Hartglas) verwendet (von dem angenommen wird, daß es annähernd der Formel des Beispiels 1 entspricht), doch wurde ein fortlaufendes Tuch bzw. fortlaufender Strang imprägniert. Das Probestück (46 cm χ 10 cm χ 1,0 cm dick) wurde in einer an den Enden offenen Edelstahlform bei 900⁰C und 10,4 MN.m gepreßt. Vor dem Pressen wurde eine dünne Schicht aus unverstärkter Glas/Binder-Folie auf jede Seite des Preßlings aufgebracht, um dem Produkt eine glasierte Oberfläche zu geben. Der endgültige Verbundwerkstoff enthielt etwa 40 Volumenprozent Kohlenstoffasern. Versuche haben gezeigt, daß dieses Material die folgenden Eigenschaften hatte:

Dichte 2,0 to/ m

Elastizitätsmodul 170 GIT.m~²

Biegefestigkeit bei 24°C 700 WS.m~²

Biegefestigkeit bei 400°C 700 ΜΝ.πΓ²

_2 Brucharbeit 5 kJ.m

Es sei darauf hingewiesen, daß, da das Material nach der Erfindung Hochtemperatureigenschaften besitzt, es notwendig sein kann, die Kohlenstoffasern vor Oxydation bei erhöhten Temperaturen in oxydierenden Atmosphären zu schützen. ™ Dies geschieht am zweckmäßigsten dadurch, daß ein Schutzüberzug auf den Verbundwerkstoff aufgebracht wird, und das obige Beispiel beschreibt ein Verfahren, bei welchem eine Schicht aus Glas, die keine Kohlenstoffasern enthält, auf die Oberflächen des Verbundv/erkstoff es aufgebracht wird. Die Schicht kann aufgebracht werden, nachdem der Verbundwerkstoff geformt ist. Es ist auch offensichtlich, daß diese Schicht nicht unbedingt die gleiche Zusammensetzung wie die Matrix haben muß und stattdessen aus reiner Oxydkeramik oder aus Metall, falls erwünscht, bestehen kann.

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Bei diesem besonderen Beispiel waren die Kohlenstofffasern in den verschiedenen Schichten ausgerichtet, doch könnte natürlich auch eine Kreuzschichtung (Sperrschichtung) verwendet werden.

Beispiel 4

Ein typisches Sodaglas, bei welchem die Erfindung angewandt werden kann, ist folgendes (nach Gewichtsanteilen):

Siliciumoxyd 70-74 £

Aluminiumoxyd 0,5-2,0 i>

Magnesiumoxyd 0-4 5°

Calciumoxyd 5-10 #

Natriumoxyd 12-17 $

Beispiel 5

Die Erfindung kann auch auf andere Glassorten angewandt werden, z.B. ein Bleiglas mit folgender gewichtsmäßiger Zusammensetzung:

Siliciumoxyd	56-58
Aluminiumoxyd	0-1?:
Bleioxyd	30 ¹Jb
Kaliumoxyd	12-13
Beispiel 6

Die Erfindung kann auch bei Aluminosilikatglasen verwendet werden, z.B. einem Glas mit folgender gewichtsmäßiger Zusammensetzung:

Lithiumoxyd	4,1 %
Aluminiumoxyd	13,9 £
Siliciuiaoxyd	82,0 ^

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Nukleierende bzw. kristallkernbildende Glase sind häufig, aber nicht unbedingt, im Aluminosilikat-System vorhanden. Es ist bekannt, daß kernreiches Glas ein Glas ist, das bestimmte Chemikalien enthält, bekannt als nukleierende bzw. kernbildende "Agentien", die das Glas dazu bringen, bei entsprechender Wärmebehandlung zu kristallisieren oder zu entglasen. Nukleiertes bzw. kernreiches Glas hat gewisse Vorteile im Vergleich zu Borsilikatglas oder herkömmlichem Keramikmaterial, wie beispielsweise Porzellan, und diese Vorteile sind in der Technik allgemein bekannt. Im Vergleich zu Borsilikatglas, welches mit Kohlenstoffasern verstärkt ist, würde ein nukleiertes bzw. kernreiches Glas, welches mit Kohlenstofffasern verstärkt ist, im allgemeinen eine bessere Festigkeit, Dauerstandfestigkeit und einen besseren Ermüdungswiderstand bei hohen Temperaturen haben und würde auch im allgemeinen härter sein und eine größere Verschleiß- und Schlagfestigkeit, aufweisen. Die Herstellungsverfahren sind allgemein gleich, und die Wärmebehandlung, die zur Kristallisierung des Glases führt, kann entweder vor oder nach der Zugabe der Kohlenstofffasern erfolgen.

Beispiel 7

Das bei diesem Beispiel verwendete Glas war ein Aluminosilikatglas, ähnlich dem "Corning 9608". Eine Probe dieses Glases wurde auf eine ausreichende Temperatur erhitzt, um es zu schmelzen und sicherzustellen, daß alle Bestandteile in Lösung waren. Das geschmolzene Glas wurde dann normal gekühlt, um eine transparente feste Masse zu erzeugen, die daraufhin zerbrochen und gemahlen wurde, um ein feines Pulver herzustellen. Dieses Pulver wurde dann mit dem entsprechenden Anteil von Kohlenstoffasern auf eine der oben beschriebenen Weisen gemischt, und das resultierende Gemisch wurde bei ausreichend hoher Temperatur heißgepreßt, um das Glas dazu zu bringen, plastisch zu werden und zu fließen, um eine eigentliche Matrix um die Kohlenstoffasern herum zu bilden. Diese Glaszusammensetzung wurde dann entsprechend den bekannten Techniken wärme-

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behandelt,- um das Glas zu veranlassen, zu entglasen oder zu kristallisieren, und um den endgültigen Verbundwerkstoff zu erzeugen. .

Beispiel 8 .

Bei diesem Beispiel wurde das gleiche Glas verwendet, doch dieses wurde als eine Eingangsstüfe wärmebehandelt, damit es kristallisiert, und das"sich ergebende opake Material wurde dann zerkleinert, uin ein Pulver zu erzeugen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Krlstallitgröße in einem kernreichen Glas extrem fein ist, im typischen Fall geringer als 1 Mikron, daß aber der angewandte Mahlprozess nur soweit ausreichend war, als Teilchen im Größenbereich von weniger als 53 Mikron erhalten wurden. Dieses Pulver wurde dann zu einer Paste mit Isopropylalkohol und 20 Volumenprozent Kohlenstoffasern vermischt, wobei die Kohlenstoffasern einen Durchmesser von 8 Mikron und eine Länge von annähernd 2 mm hatten. Das resultierende Pastengemisch wurde dann im Vakuum heißgepreßt, und zwar bei einer Temperatur von 1250⁰O und einem Druck von 10,4 Mnm~ , wobei der Druck in Wirklichkeit nur zur Einwirkung gebracht wurde, während das Material sich auf einer Temperatur von mehr als 800 C befand. Das Endprodukt war ein Verbundwerkstoff, sehr ähnlich dem nach dem Beispiel 7 erzeugten, jedoch fand kein Materialzuwachs in der Kristallitgröße statt-, wenn auch durch die Mahlstufe ein relativ grobes Pulver erzeugt wurde. Somit hatte das Endprodukt eher die Eigenschaften eines nukleierten bzw. kernreichen Glases, und zwar soweit es die Matrix betraf, als die Eigenschaften eines technischen Keramik-Werkstoffes, wie beispielsweise Porzellan. "■-.·.

Der'Vorgang nach Beispiel 3 wurde wiederholt, wobei das Glas nach Beispiel 8 mit einer Belastung von Kohlenstoffasern

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mit 35 Volumenprozent, mit einer Preßtemperatur von 1300 C

und einem Druck von 17,2 MN · m . Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes waren folgende:

Dichte 2,1 t/m³

Elastizitätsmodul 138 GN · m~²

Biegefestigkeit bei 24°C . 820 MN ' m~²

Biegefestigkeit bei 400⁰C 810 MN · m"²■-. -.-."■

Biegefestigkeit bei 600⁰C 790 MIT · nf²

Brucharbeit 7,5 kJ · m

Beispiel 10 ■-...-.

Das nukleierende Glas "Corning 9608", wird mit Titanoxyd katalysiert. Es ist möglich, andere Iiukleierungs-Kätalysatoren, z.B. Zirkoniumoxyd, zu verwenden, und zwei' solcher Glaszusammensetzungen sind nach Gewichten! _.,.,

Silici.umoxyd .65 Teile 75 Teile _t ., . -. ^,

.Aluminiumoxyd . 30 Teile 20 Teile

Lithiumoxyd 5 Teile 5 Teile „ . .

Fatriumoxyd 1 Teil 1 Teil. ..-"..

Phosphorpentoxyd 3 Teile 1 Teil

Zirkoniumoxyd 4 Teile 4 Teile

Beispiel 11

Es ist nicht notwendig, nukleierende Gläser im Alumino-* silikatsystem zu verwenden, und andere bekannte nukleierende Gläser sind möglich. Zum Beispiel können folgende beiden Zusammensetzungen, nach Gewicht, verwendet werden?

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ORlG^AL INSPECTED

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Siliciumoxyd	73,1	67,9 io
Magnesiumoxyd	7,0	15,5 ft
Lithiumoxyd	10,5	13,6 £
Bortrioxyd	6,4	-
Phoaphortrioxyd	3,0	3,0 £

Alternativ kann eine Zusammensetzung innerhalb des folgenden Gewichtsbereiches verwendet werden:

Siliciumoxyd 37,2 - 58,1 #
Zinkoxyd 15,8 - 50,5 #
Lithiumoxyd 4,5 - 23,1 %
Phoephorpentoxyd 3,0 #

Beispiel 12

Wenn es erwünscht ist, den Verbundwerkstoff durch Infiltration einer Masse von Kohlenstoffasern durch geschmolzenes Glas oder durch Mischen kurzer Kohlenstoffasern mit geschmolzenem Glas herzustellen, dann ist es vorzuziehen, ein Glas mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt zu verwenden, wie beispielsweise das Glas nach Beispiel 5.

Um die bemerkenswerten Eigenschaften des Werkstoffes nach dfer Erfindung* zu demonstrieren, werden die Eigenschaften der spezifischen Zusammensetzungen der Beispiele 3 und 9 in Tabelle 3 mit anderen Materialien verglichen.

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ORIGiNAL

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bei 240°C (kNm/kg)

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Spezifische Festigkeit

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Tabelle 3 macht deutlich, daß der Werkstoff nach der Erfindung Eigenschaften hat, die ungleich jenen irgendeines ■ anderen Materials sind. Zum Beispiel ist die Brucharbeit gleich der von Teakholz oder dehnbarem Metall, die Zugfestigkeit ist mit Titan vergleichbar, die Dichte ist gering, und die Gebrauchstemperatur ist hoch. Jedoch kann diese Tabelle nicht alle Eigenschaften aufzeigen, und das Material kann beispielsweise isotropisch oder anisotropisch gemacht werden, seine Art des Bruches ist faserig, es ist' sehr steif für sein Gewicht, es hat eine hohe Wärme- und mechanische Schockbeständigkeit, und es ist sehr hart. Es hat eine gute Korrosions- und Feuerfestigkeit. Es ist sehr ähnlich einem anderen, relativ neuen Material, nämlich kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff, doch kann es bis zu 100O⁰C mechanisch stabil sein und ist viel härter. Es kann als solches folglich für Gasturbinenschaufeln für Luftfahrzeuge verwendet werden, doch ist es nicht darauf beschränkt, als Kaltverdichterschaufeln verwendet zu werden, und es ist nur etwa halb so dicht wie die Titanlegierung, die es ersetzt. Andererseits hat das Material nach Beispiel 3 (bei dem relativ billiges Borsilikatglas verwendet wird) viele der Eigenschaften des kostspieligen, unverstärkten nukleierten bzw. kernreichen Glases, aber es ist außerdem zäh; das Material des Beispieles 9 ist sogar noch besser.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung offenbart sind.

Patentansprüche

909847/0

Claims

69 079 Kü/A U. MA11969 Patentansprüche

1. Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet daß er aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Glas besteht.

2, Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern durch Thermaldegradation von Polyacrylonitril hergestellte Pasern von hoher Zugfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul sind.

fc 3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Kohlenstoffasern 10 bis 70 Volumenprozent, vorzugsweise 40 - 50 $, beträgt.

4. '/erkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern zwischen 0,5 und 10 ram lang sind.

5. Werkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern die Form langer Stücke haben.

6. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern aus-

w gerichtet oder kreuzgeschichtet sind.

7. '/erkstoff nach einem oder mehreren der vorangehenden; Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas ein Aluminosilikatglas ist.

8. 'erkstoff nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß das Glas ein Borsilikatglas ist.

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9. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas, ζ.B, ein Aluiainosilikatglas, ein Nukleierungemittel enthält und wärmebehandelt ist, um dasselbe vor dem Formen des Verbundwerkstoffs zu entglasen.

10. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Zusammenmischen von Kohlenstoffasern und geschmolzenem Glas hergestellt ist.

11. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß er durch Zusammenmischen von Kohlenstoffasern und pulverisiertem Glas und Pressen bei einer Temperatur hergestellt ist, die hoch genug ist, damit das Glas sich verdichtet.

12. Werkstoff nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenneeiohnet, daß er durch Zusammenmischen von Kohlenstoffasern und pulverisiertem Glas, Pressen des Gemisches zum Verdichten desselben und dann Sintern hergestellt ist.

13. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest eine ' Oberflächenschicht aufweist, die keine Kohlenstoffasern enthHlt.

14. Werkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht eine Glasschicht ist.

15. Aus dem Verbundwerkstoff nach den Ansprüchen 1 bis H hergestellter Formkörper, insbesondere Turbinenschaufel.

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