Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Anwendungen für sogenannte Kompositwerkstoffe und insbesondere Faserverbundwerlestoffe bekannt.

So werden beispielsweise Kunststoffformteile mit verbesserten Gebrauchseigenschaften durch Verwenden eines Polymerkunststoffes wie beispielsweise Polyamid oder Epoxidharz mit einer Fasereinlagerung hergestellt. Als Fasern werden üblich Glasfasern oder Kohlefasern verwendet, wobei die Fasern durch einfaches Abschneiden von einer Endlosfaser hergestellt werden und mithin eine Zylinderform aufweisen, insbesondere eine Kreiszylinderform. Besonders gute Eigenschaften lassen sich nach dem Stand der Technik durch die Verwendung von relativ langen Fasern mit einer Faserlänge von mehreren cm bis mehreren Metern erzielen. Teilweise kommen auch Fasergewebe zum Einsatz.

Trotz der durch die Verwendung einer Fasereinlagerung erzielten Verbesserungen sind die Herstell-und Gebrauchseigenschaften der bekannten Faserverbundwerkstoffe für einige Anwendungsfälle nicht optimal. Darüber hinaus ist der Einsatzbereich durch die in der Regel von dem Polymerkunststoff vorgegebene maximale Verarbeitungs-und vorallem Betriebstemperatur begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Faser zur Verwendung als eine Komponente eines Kompositwerkstoffes sowie einen solchen Kompositwerkstoff bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Darüber hinaus soll ein zugehöriges Herstellverfahren für die erfindungsgemäße Faser bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Faser sowie durch den im nebengeordneten Anspruch bestimmten Kompositwerkstoff gelöst ; das zugehörige Herstellverfahren für die Faser ist in dem entsprechenden nebengeordneten Verfahrensanspruch bestimmt. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.

Erfindungsgemäß weist die Faser mindestens einen Anteil aus einem nichteisenmetallischen, amorphen oder keramischen Werkstoff auf.

Erfindungsgemäß ist auch eine Faser, die mindestens einen Anteil eines Metalls mit einem Schmelzpunkt von mehr als 2000 °C, insbesondere mehr als 2500 °C, und vorzugsweise mehr als 3000 °C aufweist, beispielsweise Osmium oder Rhenium, sowie deren Legierungen. Die Faser kann auch vollständig aus solchen Metallen oder deren Legierungen bestehen.

Die Faser kann auch vollständig aus einem keramischen Werkstoff bestehen, oder aus einem vollkeramischen oder einen keramischen Anteil aufweisenden Kompositwerkstoff bestehen, einschließlich gesinterter

Fasern, oder nur einen keramischen Anteil aufweisen, beispielsweise eine keramische Beschichtung eines Faserkerns aus Kunststoff, Metall, Glas oder dergleichen. Es können auch Anteile aus einem amorphen Werl<stoff wie beispielsweise Glas eingesetzt werden oder geeignete Metalloxidpolymere.

Insbesondere die Kombination aus Keramik und Metalloxiden ist vorteilhaft.

Durch die erfindungsgemäßen Faserwerkstoffe lassen sich hohe Zug-, Druck-und/oder Biegefestigkeiten erzielen bei gleichzeitig hoher Temperaturbelastbarkeit und/oder hoher chemischer Resistenz, insbesondere Oxidationsbeständigkeit. Es sind auch Kombinationen von keramischen und amorphen Werkstoffen für die Faser möglich. Der neben dem hochtemperaturfesten keramischen oder amorphen Bestandteil vorhandene, mindestens eine weitere Bestandteil der Faser kann, muss aber nicht, hochtemperaturfest sein.

Vorzugsweise kommt als keramischer Anteil der Faser insbesondere ein hochtemperaturfester keramischer Werkstoff in Betracht, der eine hohe chemische Beständigkeit sowohl beim Herstellen des Formkörpers als auch beim späteren Gebrauch des Formkörpers gewährleistet. Als Faserwerl<stoff kommt beispielsweise Aluminiumoxyd, Aluminiumnitrid, Bornitrid oder Siliciumcarbid in Frage.

Die Fasern können mindestens abschnittsweise als Hohlkörper ausgebildet sein, insbesondere insgesamt eine Hohlform aufweisen, oder massiv ausgebildet sein.

Die Fasern weisen eine von der Zylinderform oder Stabform abweichende Form auf. Als Zylinder ist dabei ein geometrischer Körper zu verstehen, bei dem zwei parallele, ebene und kongruente Grundflächen durch einen Mantel mit geradliniger Längsachse miteinander verbunden sind. Die Form

der Grundfläche kann dabei beliebig sein, insbesondere kreisförmig, ellipsenförmig, regelmäßig oder unregelmäßig drei-oder vieleckig, mit oder ohne abgerundete Kanten, sichelförmig oder ringförmig unter Ausbildung einer Hohlfaser.

Erfindungsgemäß sind sowohl abschnittsweise verdickte und/oder verdünnte Fasern möglich als auch Fasern, die eine von der zylindrischen Stabform abweichende Form aufweisen, insbesondere gebogen, gekrümmt, gedreht, spiralförmig, wellenförmig, kreisförmig, ellipsenförmig, dreieck- oder vieleckförmig oder dergleichen sind. Die Fasern können im wesentlichen eine zweidimensionale Ausdehnung oder sogar eine dreidimensionale Ausdehnung aufweisen. Es sind auch Kombinationen unterschiedlich geformter Fasern möglich bis hin zur Bildung zwei-oder dreidimensionaler Strukturen, die aus einer oder mehreren Fasern unterschiedlicher oder übereinstimmender Faserform gebildet sind, wobei die einzelnen Fasern miteinander regelmäßig oder unregelmäßig verkettet, verhakt, ineinandergeschlungen oder dergleichen sein können.

Vorzugsweise weist mindestens ein erster Abschnitt der Faser, insbesondere ein Endabschnitt, eine gegenüber einem weiteren Abschnitt der Faser hinsichtlich Größe und/oder Form und/oder Orientierung unterschiedliche Querschnittskontur auf. Vorzugsweise sind beide Faserenden im Wesentlichen identisch ausgebildet, insbesondere symmetrisch zu einem Mittelabschnitt der Faser. Durch die Ausbildung eines solchen Abschnittes wird eine formschlüssige Verbindung der Faser mit der die Faser umgebenden Matrix gewährleistet. Eine solche formschlüssige Verbindung kann gegenüber der üblichen reibschlüssigen Verbindung zwischen Faser und Matrix, insbesondere gegenüber den bekannten Fasern mit glatter Oberfläche, deutlich größere Kräfte übertragen und führt daher zu einer

höheren Belastbarkeit der hergestellten Formkörper. Der Abschnitt abweichender Querschnittskontur, insbesondere der Endabschnitt, kann dabei Sternform, Pyramidenform, Polygonform, Kugelform, Scheibenform, Ellipsoidform, Hakenform, Knochenform, Igelform, Ösenform oder Kombinationen dieser Formen aufweisen. Weitere Faserformen oder Formen der Abschnitte mit abweichender Querschnittsform sind Fischgrätenform und Blattrippenform, insbesondere Formen, bei denen von einer Zentralfaser mindestens eine Fasernadel in einem spitzen Winkel abzweigt, vorzugsweise in Längsrichtung hintereinander mehrere Fasernadeln abzweigen. Die Fasernadeln können dabei alle in einer Ebene liegen, so das die Faser im wesentlichen ein zweidimensionaler Körper ist, oder in verschiedenen Raumrichtungen von der Zentralfaser abstehen, so das die Faser ein dreidimensionaler Körper ist.

Außerdem ist von Vorteil, dass bei Verwendung der erfindungsgemäßen Fasern bei einem aus dem Kompositwerkstoff hergestellten Formkörper in allen Raumrichtungen gleich gute mechanische Festigkeiten erreichbar sind, d. h. die Erfindung kann eine Isotropie der mechanischen Eigenschaften der hergestellten Formkörper gewährleisten.

Darüber hinaus kann die Faser auch in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Nuten oder ringförmige Einkerbungen aufweisen, die in Längs- oder Umfangsrichtung der Faser voneinander beabstandet oder miteinander verbunden sind. Vorzugsweise verlaufen derartige Nuten oder ringförmige Kerben quer zur Längserstreckung der Faser, um dadurch den Formschluss der Faser mit der umgebenden Matrix zu verbessern.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung weist die Faser einen Endabschnitt mit einer unregelmäßigen geometrischen Form auf. Durch die

Unregelmäßigkeit entsteht beispielsweise eine in hohem Maße formschlüssige, eine große Oberfläche aufweisende Verbindungsfläche zwischen der Faser und der umgebenden Matrix. Vorzugsweise wird die unregelmäßige Form des Endabschnittes beim Herstellen der Faser gebildet, insbesondere durch Lasertrennen der Faser von einer Endlosfaser. Durch die Absorption der Laserstrahlung kommt es zu einem sehr schnellen lokalen Erhitzen und damit zu einem Abschmelzen oder Absprengen der Faser von der Endlosfaser. Durch das sehr schnelle Erhitzen und das anschließende schnelle Abkühlen entstehen beispielsweise Endabschnitte mit allseitig ausgerichteten Zacken und Spitzen, die einen besonders guten Formschluss mit der umgebenden Matrix gewährleisten.

In einer besonderen Ausführungsart der Erfindung weisen die Fasern eine Längserstreckung zwischen 0,01 und 30 mm auf, insbesondere zwischen 0,05 und 5 mm, und vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 mm. Die Dicke oder der Durchmesser der Fasern beträgt erfindungsgemäß weniger als 50 % der Faserlänge, insbesondere weniger als 20 %, und für viele Anwendungen insbesondere bei Faserlängen unter 5 mm etwa 10 %. Diese relativ kurzen Fasern erlauben eine große Formfreiheit der herzustellenden Formkörper bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit der hergestellten Formkörper. Für verschiedene Anwendungen sind folgende Faserabmessungen Länge/Dicke besonders vorteilhaft : 0,01 mm/0,001 mm, 0, 1 mm/0, 01 mm oder 30 mm/0,1 mm.

In einer besonderen Ausführungsart ist die Faser gekrümmt und dadurch die Faserlänge größer als die Längserstreckung der gekrümmten Faser. Dadurch ergibt sich mit hinsichtlich ihrer Längserstreckung relativ kurzen Fasern dennoch eine große Oberfläche der Fasern und damit eine hohe Verbindungswirkung zwischen den Fasern und der umgebenden Matrix.

Die Erfindung betrifft auch einen Kompositwerkstoff, der als weitere Komponente neben der Faser eine Grundmatrix aufweist, in welche die Fasern eingebettet sind. Als Kompositwerkstoff oder auch Verbundwerkstoff ist ein aus verschiedenen, miteinander fest verbundenen Materialien hergestellter Werkstoff zu verstehen.

Die Grundmatrix kann beispielsweise ein Pulver aufweisen, insbesondere ein keramisches Pulver, ein metallisches Pulver oder eine Pulvermischung aus unterschiedlichen Werkstoffen, oder ein prekeramisches Polymer.

Alternativ oder ergänzend kann die Grundmatrix auch einen Werkstoff in flüssiger Form aufweisen, insbesondere ein aufgeschmolzenes Metall oder Metallegierungen. Weitere mögliche Werkstoffe für die Grundmatrix sind beispielsweise Kunststoffe, Metalloxidpolymere und biegsame Keramiken.

Die Kombination aus erfindungsgemäßen Fasern mit einer Grundmatrix führt zu hochfesten, hochtemperaturbeständigen Formkörpern bei gleichzeitig großer Formenfreiheit. Die Grundmatrix kann mindestens teilweise ein prekeramisches Polymer aufweisen, das auch als keramischer Klebstoff bezeichnet werden kann, da es beim Aushärten die hinzugefügten Fasern unter Bildung des Formkörpers miteinander verbindet, und das im nicht ausgehärteten Zustand vorzugsweise eine sehr geringe Viskosität aufweist. Dadurch kann der Kompositwerkstoff beispielsweise durch Spritzen verarbeitet werden. Vorzugsweise weist die Grundmatrix neben dem prekeramischen Polymer und den Fasern auch noch ein Keramikpulver auf.

Vorzugsweise wird der Kompositwerkstoff zum Herstellen eines Formkörpers von einer flüssigen oder rieselfähigen festen Phase in eine

kompakte feste Phase überführt, beispielsweise durch Abkühlen eines flüssigen Metalls, Aushärten einer aushärtbaren Masse, Sintern, einschließlich selbstausbreitendes Sintern (Self Heating Sintering oder Self-Propagating High-Temperature Synthesis), Explosionssintern und hydrothermisches Sintern, Spritzgießen, Vernetzen, oder Mikrowellensintern.

Nach dem Aushärten ist die Grundmatrix beispielsweise formbeständig bei Temperaturen oberhalb 800 °C, insbesondere oberhalb 1200 °C, und vorzugsweise oberhalb 1600 °C. Die Grundmatrix kann dabei so ausgestattet sein, dass sich nach dem Aushärten eine Keramik bildet, die beispielsweise Aluminiumoxyd, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid enthält. Der Keramikanteil in der ausgehärteten Grundmatrix ist in der Regel abhängig von der Aushärttemperatur. Vorzugsweise weist die Grundmatrix nach dem Aushärten einen Keramikanteil von mehr als 50 % auf, insbesondere mehr als 65 %, und vorzugsweise mehr als 75 %.

Gerade die Kombination eines prekeramischen Polymers mit keramischen Fasern mit einer Längserstreckung von weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm, und vorzugsweise weniger als 2 mm, ermöglicht die Herstellung von Formkörpern mit großer Formenfreiheit und gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit und hoher Temperaturbelastbarkeit.

Vorzugsweise weist die Grundmatrix nach dem Aushärten eine Dichte zwischen 1 und 8 g/cm3 auf, insbesondere zwischen 1,5 und 6 g/cm3, und vorzugsweise zwischen 2 und 4 g/cm3. Die Porosität der hergestellten Formkörper kann in weiten Bereichen eingestellt werden bis hin zur Heliumdichtheit.

Der Volumenanteil der Grundmatrix beträgt bezogen auf das Gesamtvolumen der aushärtbaren Masse mindestens 50 %, vorzugsweise mehr als 65 %. Der übrige Bestandteil der aushärtbaren Masse wird im Wesentlichen durch die Fasern und/oder weitere keramische Bestandteile, insbesondere in Pulverform, gebildet.

Durch die Verwendung von verhältnismäßig kurzen Fasern, die eine von einer geradlinigen Zylinderform abweichende Form aufweisen, insbesondere mit verdickten oder verdünnten Faserabschnitten und/oder gekrümmter Faserform, können bei gleichzeitiger Produktionsvereinfachung mechanische Eigenschaften der hergestellten Formkörper erreicht werden, wie sie bisher nur mit langen Fasern erreichbar waren, ohne dass die diesbezüglichen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Vorzugsweise sind die kurzen Fasern unregelmäßig und ohne Vorzugsorientierung in dem Formkörper angeordnet, so dass sich in allen Raumrichtungen verbesserte mechanische Eigenschaften und erhöhte Festigkeiten des Formkörpers ergeben.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Faser, wobei die Fasern durch Strahlungsabsorption, insbesondere durch Absorption von Laserstrahlung, von einer Endlosfaser abgetrennt werden. Hierzu kann beispielsweise ein gepulster Laser eingesetzt werden, dessen Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit der Endlosfaser auf die gewünschte Faserlänge abgestimmt ist. Alternativ hierzu kann auch ein Dauerstrichlaser eingesetzt werden, dessen Laserstrahl durch einen Spiegel ablenkbar ist und beispielsweise nacheinander mehrere Endlosfasern überstreichen kann, um dort jeweils eine Faser abzutrennen.

Weitere mögliche erfindungsgemäße Herstellverfahren sind das Bedampfen von Formkörpern oder Fasern, die aus verhältnismäßig niedrigschmelzenden Werkstoffen bestehen, mit Keramiken, Metallen und/oder hochschmeizenden Metalllegierungen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Die Figuren 1 bis 16 zeigen mögliche Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Faser.

Die in den Fig. 1 bis 8 dargestellten erfindungsgemäßen Fasern weisen eine im Wesentlichen homogene Querschnittsfläche entlang der Faserlänge auf, insbesondere keine Verdickungen oder Verdünnungen an den Faserenden.

Bei allen diesen Fasern ist die Faserlänge größer als die Längserstreckung der Faser.

Die Fig. 1 zeigt eine Faser mit einer in der dargestellten Seitenansicht welligen Form. Die Wellenform kann auch sinusförmig sein, insbesondere kann die Ausprägung der Wellen, deren Amplitude und Periodenlänge an den Anwendungsfall angepaßt sein. In einer nicht dargestellten Draufsicht erscheint diese Faser geradlinig.

Die Fig. 2 zeigt eine Faser mit einer in der dargestellten Seitenansicht dreieckförmigen Form. Die Dreiecksform kann auch sägezahnförmig sein,

insbesondere kann der von den Dreiecksschenkeln eingeschlossene Winkel und/oder die Schenkellänge an den Anwendungsfall angepaßt sein. Auch diese Faser erscheint in einer nicht dargestellten Draufsicht geradlinig.

Die Fig. 3 zeigt eine spiralförmige Faser mit zylindrischer Mantelfläche, während die Fig. 4 eine spiralförmige Faser mit kegelförmiger Mantelfläche zeigt.

Die Fig. 5 zeigt eine spangenartige, nicht geschlossene ellipsenförmige Faser, die Fig. 6 eine entsprechende, aber im Wesentlichen kreisförmige Faser, die Fig. 7 eine entsprechende, aber im Wesentlichen dreiecl<förmige Faser, und die Fig. 8 eine entsprechende, aber im Wesentliche viereckförmige Faser.

Die in den Fig. 9 bis 16 dargestellten erfindungsgemäßen Fasern weisen an ihren Endabschnitten Verdickungen auf, vorzugsweise symmetrisch zu einem mittleren Abschnitt der Faser.

Die Fig. 9 zeigt eine Faser, die an ihren Enden durch kurzzeitigen starken Energieeintrag entstandene Abschnitte mit unregelmäßiger geometrischer Form und zahlreichen Spitzen unterschiedlicher Orientierung und Längserstreckung aufweist. Das in der Darstellung linke Faserende ist dabei hinsichtlich der räumlichen Verteilung der Spitzen und deren Länge im wesentlichen regelmäßig ausgebildet, insbesondere gleichmäßig ausgebildet. Das in der Darstellung rechte Faserende ist dagegen unregelmäßig ausgebildet. Abweichend von der Darstellung der Fig. 9 kann die Faser auch an beiden Enden regelmäßig oder unregelmäßig ausgebildet sein.

Die Fig. 10 zeigt eine Faser mit pyramidenstumpfförmigen Endabschnitten.

Das in der Darstellung linke Faserende weist dabei eine plane Stirnfläche auf. Das in der Darstellung rechte Faserende weist dagegen eine Stirnfläche auf, die nicht plan ist, sondern insbesondere pyramidenförmig ; außerdem geht der Endabschnitt stufenlos in den mittleren Abschnitt der Faser über.

Die Fig. 11 zeigt eine Faser mit polygonkubusförmigen oder prismenförmigen Endabschnitten.

Die Fig. 12 zeigt eine Faser mit kugelförmigen Endabschnitten.

Die Fig. 13 zeigt eine Faser mit scheibenförmigen oder sogar lochscheibenförmigen Endabschnitten.

Die Fig. 14 zeigt eine Faser mit fischgrätartigen oder blattrippenartigen Verzweigungen sowohl im mittleren Abschnitt als auch im Endabschnitt.

Die Fig. 15 zeigt eine gekröpfte Faser mit V-förmigem Mittelabschnitt.

Die Fig. 16 zeigt eine Faser mit kugelförmigen Verdickungen in regelmäßigen Abständen entlang der Längserstreckung, wobei der Durchmesser der endseitigen kugelförmigen Verdickungen kleiner, gleich oder größer als der Durchmesser der kugelförmigen Verdickungen im Mittelabschnitt sein kann.

Die Grundform der erfindungsgemäßen Fasern kann dabei im Querschnitt kreisförmig, dreieckförmig, viereckförmig und insbesondere quadratisch, ellipsenförmig oder dergleichen sein. Möglich ist auch eine vielkantige oder von der Kreisform abweichende Grundform der Faser, die torsionsartig verdreht ist und sich dadurch die Orientierung der Querschnittskontur entlang der Länge der Faser kontinuierlich verändert.