DE4009351A1

DE4009351A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramischen und/oder metallischen fasern

Info

Publication number: DE4009351A1
Application number: DE4009351A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Beantragt Teilnichtnennung
Original assignee: NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut
Current assignee: HOFF, GUENTER, DR.RER.NAT., 88718 DAISENDORF, DE
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1990-10-04
Also published as: DE4009351C2

Description

A Stand der Technik

Qualitativ hochwertige Fasern können aus verschiedenen Materia lien nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden.

Durch Beschichtung metallischer Drähte mittels Abscheidung aus der Gasphase (CVD) werden z.B. Bor- und Siliziumkarbid-Fasern hergestellt. Nicht in allen Fällen ist jedoch der Metallanteil dabei erwünscht, z.B. wird durch die Metall-Seele ein hohes Ge wicht und eine begrenzte Einsatztemperatur bedingt. Meist sind die Durchmesser derartiger Fasern groß, und die damit verbundene geringe Flexibilität schränkt die Möglichkeiten für die Verbund werkstoffherstellung ein.

Keramik-Fasern, die durch Füllen von Polymer-Kapillaren mit Kera mikschlicker, Trocknen, Brennen und Sintern hergestellt wurden, sind wegen der großen Durchmesser von meist mehr als 100 µm wenig flexibel und besitzen nur eine dem Bulkmaterial entsprechende Fe stigkeit.

Die Herstellung von Keramik-Fasern aus Schmelzen führt aufgrund der guten Homogenität, Porenfreiheit und Mikrokristallinität zu einer extrem guten Faserqualität.

Typische Verfahren zur Herstellung von Fasern aus Schmelzen sind das Zerblasen eines Schmelzestrahls, das Abschleudern der Schmel ze von einem rotierenden Teller, wie aus DE 29 54 313 A1 be kannt, oder das Spinnen aus der Schmelze.

Diese Verfahren zur Faserherstellung funktionieren jedoch nur, wenn die Viskosität der Schmelze hoch und ihre Oberflächenspan nung gering ist, d.h. nur bei bestimmten Oxiden und Mischoxiden nicht bei Metallen. Erreicht wird diese Viskosität durch hohe SiO₂-Anteile, wie z.B. bei Stein-, Basalt- oder Glaswolle. Aller dings ist die Verwendung der Fasern bei höheren Temperaturen auf grund der geringen mechanischen Stabilität sehr eingeschränkt.

Weiterhin ist aus DE 35 28 169 A1 bekannt, daß mit Hilfe elek trischer Hochspannung, die zusätzlich an eine abschmelzende Me tallelektrode angelegt wird, feine refraktäre Metallpulver er zeugt werden.

Whisker werden mit sehr langsamen und damit teuren Prozessen aus der Lösung oder aus der Gasphase hergestellt. Sie besitzen nahezu theoretische Festigkeit. Ihre Verwendung ist jedoch wegen gesund heitlicher Risiken eingeschränkt.

Allen diesen Verfahren, außer der Faserherstellung aus der hoch viskosen Schmelze durch Zerblasen, Abschleudern oder Verspinnen, haftet der Nachteil an, daß sie sehr aufwendig sind und nicht zu einer wirtschaftlich vertretbaren Ausbeute an feinen Fasern füh ren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von bekannten Zer teilungsverfahren durch Schleuderteller, oder mittels Gasverdü sung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es er möglichen, auf einfache Weise zu einer nahezu 100%igen Ausbeute an feinen Keramik- und/oder Metallfasern zu gelangen.

Dabei sollen unter Fasern solche Aggregate verstanden werden, die einen Durchmesser bis zu 50 µm (D < 50 µm) und ein Länge-zu-Durch messer-Verhältnis von mehr als 5 (L/D < 5) aufweisen. Diese Fasern können kompakt sein oder je nach Abkühlungsgeschwindigkeit eine gewollte Porosität von bis zu 10% besitzen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und nebengeordnetem Anspruch 15.

B Erfindung

Die geringe Viskosität und hohe Oberflächenspannung aller Mate rialien mit hoher theoretischer Festigkeit, wie z. B. Keramiken (Al₂O₃) und Metalle, steht einer Herstellung von Fasern aus der Schmelze entgegen. Es entsteht bei Anwendung der genannten typi schen Verfahren Pulver.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Oberflä chenspannung durch das Aufbringen von Ladungsträgern zu verrin gern. Dabei werden die auf die Oberflächen-Moleküle wirkenden un symmetrischen einseitigen Anziehungskräfte durch die innen lie genden Atome oder Moleküle durch Abstoßungskräfte der in die Oberfläche von außen aufgebrachten gleichnamigen Zusatz-Ladungs träger - z. B. Elektronen mittels Elektronendusche - zumindest teilweise kompensiert. Die Folge ist eine Verringerung der Ober flächenspannung. Andererseits kann die sehr geringe Viskosität von Flüssigkeiten (Schmelzflüssigkeiten) durch Zugabe von Fest stoffpartikel erhöht und damit das Oberflächenspannungs/Viskosi tätsverhältnis weiter optimiert wird.

Dabei wird das Verfahren zum Herstellen keramischer und/oder me tallischer Fasern so durchgeführt, daß auf die durch Zerteilen einer Schmelze mittels einer Gaszerstäubung oder eines Rotations verfahrens sich ablösenden oder abgelösten Schmelzefäden Zusatz ladungen aufgebracht werden, so daß die Schmelzefäden bis zur Er starrung zu Fasern in ihrer Form weitgehend stabilisiert werden.

Als besonders geeignet haben sich reine Metall- oder Keramik schmelzen erwiesen, also solche, die außer dem Metall- bzw. Kera mikanteil sowie rohstoff- und erschmelzungsbedingten Verunreini gungen keine unlöslichen Anteile aufweisen.

In bestimmten Fällen hat es sich als günstig erwiesen, auch solche Schmelzen mit Dispersionsanteilen zu verwenden.

Dabei kann die Erstarrung der Schmelzefäden derart gesteuert wer den, daß je nach bevorzugter Ausbildung amorphe oder kristalline Fasern gewonnen werden.

Mittels einer Einstellung des Anteils an ungelösten Komponenten in der Schmelze ist über die Beeinflussung der Viskosität der Fa serdurchmesser steuerbar.

Günstigerweise kann dies ebenso durch die Stärke der elektrischen Beladung oder bei Verwendung des Schleudertellers durch die ein zustellende Drehzahl geschehen.

Die Herstellung der Schmelze kann dabei in einem Tiegel durch In duktions-, Widerstands-, Lichtbogen-, Elektronenstrahl- oder Gas heizung erfolgen, oder tiegelfrei durch Aufschmelzen des oberflä chennahen Volumens eines nachgeführten rotierenden Materialstabs mittels Elektronenstrahl, Laser oder fokussierte Strahlung derart erfolgen, daß eine gewünschte Oberflächenkontur, vorzugsweise ei ne Trichterform, erhalten bleibt.

Die so erhaltenen Fasern zeichnen sich durch hohe Homogenität, hohe Oberflächengüte und hohe Festigkeit aus.

Diese Fasern sind besonders geeignet zur Verwendung als Vlies, aber auch weiterverarbeitet als Fäden, Garne und Gewebe in den Anwendungsgebieten Filter, Stützkörper von Verbundwerkstoffen und Membranträgerkörper.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der in den Ansprüchen 1 bis 14 genannten Verfahren besteht bevorzugt aus einem in einer gasflut baren und/oder evakuierbaren Kammer befindlichen elektrisch iso lierten trichterförmigen Schleuderteller mit drehzahlgeregeltem Antrieb auf dessen Zentrum der aus einem beheizten Tiegel flie ßende Schmelzestrahl geleitet wird und aus einer Elektronendusche mit Kaltgasdüsen, die ringförmig neben dem Rand des Schleudertel lers so angeordnet ist, daß die austretenden Elektronen auf ihrem Weg zur ringförmigen, unterhalb der Schleudertellerkante befind lichen Gegenelektrode, wie auch das austretende Kaltgas die sich ablösenden oder abgelösten Schmelzefäden treffen, aufladen und zu Fasern erstarren lassen. Dabei wird die Abkühlgeschwindigkeit durch Gasmenge, Gastemperatur oder die Verwendung von Gasen ver schiedener Wärmeleitfähigkeit reguliert. Die Fasern werden an ei ner Prallfläche aufgefangen und gesammelt. Die Tiegelbeheizung kann günstigerweise durch Induktions-, Widerstands-, Lichtbogen-, Elektronenstrahl- oder Gasheizung erfolgen. Bei Verwendung eines tiegelfreien Aufschmelzverfahrens werden Elektronenstrahl, Laser oder fokussierte Strahlung, zwecks Erhaltung der Oberflächenkon tur, unter definiertem Winkel auf einen rotierenden, nachführba ren Materialstab geleitet. Ferner kann die Vorrichtung eine Zu satzeinrichtung zum kontinuierlichen Abziehen zwecks Weiterverar beitung des Vlieses beinhalten.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß auf einfache Weise dichte hochfeste Fasern mit hoher Reinheit aus niedrigviskosen Flüssigkeiten, wie Metall- und Keramik-Schmelzen erhalten werden.

C Ausführungsbeispiele C.1 Ausführungsbeispiel 1: Modellflüssigkeit

Der Effekt der Herabsetzung der Oberflächenspannung mittels Ober flächenaufladung auf die Faserbildung konnte mit der Modellsub stanz Wasser (auf einem rotierenden Teller), die physikalisch be züglich der Viskosität und Oberflächenspannung einer Al₂O₃ Schmelze ähnlich ist, deutlich demonstriert werden. Die Länge der sich beim Zentrifugieren zunächst bildenden Wasserfäden konnte mittels einer Elektronendusche (25 kV, 300 µA) um einen Faktor 3 auf ca. 10 mm erhöht werden bei gleichzeitiger Verringerung des Querschnitts.

C.2 Ausführungsbeispiel 2: Al₂O₃-Schmelze

In einem Tiegel wird eine Al₂O₃ -Schmelze durch Lichtbogenheizung hergestellt. Die Schmelze fließt nach öffnen eines Auslaufs auf einen Rotationsteller, der sich mit 6000 U/min dreht. Die Schmelze wird zentrifugiert. Am Tellerrand befindliche Schmelzfäden werden mit Hilfe einer Elektronendusche, die mit einer Spannung von 40 kV betrieben wird, elektrisch geladen. Die entstehenden ca. 5 mm lan gen Fäden erstarren außerhalb des Tellerrandes und reißen vom Tel lerrand ab. Die so gebildeten Fasern werden gesammelt.

D.3 Daten der Flüssigkeiten

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von keramischen und/oder metalli schen Fasern, durch Zerteilen einer Schmelze mittels einer Gaszerstäubung oder mittels eines Rotationsverfahrens, da durch gekennzeichnet, daß auf die sich ablösenden oder abge lösten Schmelzefäden derart Oberflächen-Zusatzladung aufge bracht wird, daß die Schmelzefäden bis zur Erstarrung zu Fa sern in ihrer Form weitgehend stabilisiert werden und ein schneller Zerfall in Tröpfchen verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze eine Metall- oder Metallegierungsschmelze verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze eine Metall- oder Metallegierungsschmelze mit unlös lichen oder nur zum Teil löslichen Bestandteilen verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze eine Keramikschmelze verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelze eine Keramikschmelze mit unlöslichen oder nur zum Teil löslichen Bestandteilen verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefügestruktur der Fasern durch die einstellbare Abkühlgeschwindigkeit amorph ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefügestruktur der Fasern durch die einstellbare Abkühlgeschwindigkeit kristallin ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser im Bereich von 0.1 bis 50 µm durch die Veränderung der elektrischen Beladung ge steuert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser im Bereich von 0.1 bis 50 µm durch die Veränderung des Anteils an Dispersionsma terial gesteuert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser im Bereich von 0.1 bis 50 µm bei Verwendung eines Schleudertellers durch die Veränderung der Drehzahl des Schleudertellers gesteuert wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Schleudertellers die elektrische Beladung der Flüssigkeit durch Besprühen mit elektrischen Ladungen bei elektrischer Isolation des Schleu dertellers und des Schmelztiegels bzw. des Flüssigkeitsbehäl ters erreicht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Schleudertellers ein Schmelzestrahl auf den Schleuderteller geleitet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Anwendung des Rotationsverfahrens die Schmelze durch Verwendung von Elektronenstrahl, Laser oder fokussierter Strahlung aus einem nachführbaren Materialstab hergestellt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Materialstabs derart durchgeführt wird, daß sich während der Faserherstellungen ständig eine gewünschte Kontur, insbesondere eine Trichter form, ergibt.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Vakuum- oder Schutzgaskammer, einer ringförmigen, kühlgasdurchströmten Hochspannungselek trode und geerdeten Gegenelektrode, mit Ringdüsensystem, ei ner in der Kammer befindlichen Prallfläche dadurch gekenn zeichnet, daß

a) die Schmelze in einem Schmelztiegel aufbereitet wird, des sen Auslauf zentral über dem Schleuderteller angeordnet ist;
b) die Elektronen-Dusche und Kühlgasdüsen so angeordnet sind, daß die über den Rand des Schleudertellers hinausgehenden Schmelzefäden elektrisch geladen und abgekühlt werden;
c) die Schmelze durch Laser, fokussiertes Licht oder Elektro nenstrahl an der Oberfläche des rotierenden nachführbaren Materialstabes erzeugt wird;
d) der Materialstab gleichzeitig Schleuderteller ist.