German Title: Herstellung von Metallmikrofasern durch melt-spinnen

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Abstract

Metal microfibers have a wide range of industrial applications, e.g. as filters, fiber-reinforced composites, electrodes, catalysts, sensors, or magnetic shielding materials. In this project, we modified melt-spinning device and its experimental parameters to fabricate metal microfibers. It was shown for the first time that metal microfibers down to 5 μm could be fabricated using a melt spinning device. The size and circularity of formed fibers could be controlled by experimental parameters.e.g. slit distance to the wheel, chamber pressure, slit size, wheel speed. The mechanism of fiber formation relies on two main steps; i)thin film formation on the rotating wheel ii)spontaneous breaking of the film to smaller widths, dewetting the wheel. It was shown that this process is reproducible and could be used for different classes of materials. e.g. intermetallic alloys, conventional alloys, metal elements and amorphous alloys. The modification of the melt spinning device leads to higher quenching rates up to 108!C/s. The high quenching rate made it possible to make fully amorphous stainless steel fibers for the very first time. Heat-treatment of amorphous stainless steel leads to dual-phase microstructure (nanocrystals embedded together with a glassy phase) which was responsible for its ultra-high hardness value, 14GPa. This value is 7 times higher than the original stainless steel hardness. Thus, the technique opens new possibilities for working with conventional and amorphous alloys e.g. mechanically improved conventional alloy microfibers/ribbons, introducing new alloy microstructures.

Translation of abstract (German)

Metallmikrofasern haben ein großes Anwendungsspektrum in der Industrie, sie können zum Beispiel als Filter, faserverstärkte Verbundstoffe, Elektroden, Kata- lysatoren, Sensoren oder als Material für magnetische Isolierungen eingesetzt wer- den. In diesem Projekt haben wir eine schmelz-spinn Einheit und ihre experi- mentellen Parameter zur Herstellung von Metallmikrofasern modifiziert. Es kon- nte zum ersten Mal gezeigt werden, dass durch die schmelz-spinn Einheit Met- allmikrofasern bis hin zu einem Durchmesser von 5μm hergestellt werden kon- nten. Die Größe und Kreisform der produzierten Fasern konnte durch experi- mentelle Parameter wie dem Schlitzabstand zum Rad, dem Kammerdruck, der Schlitzgröße oder der Radgeschwindigkeit kontrolliert werden. Der Mechanismus zur Faserherstellung beruht auf zwei Hauptschritten: i) Die Formation von dün- nen Filmen auf dem rotierenden Rad ii) Das spontane aufbrechen des Films zu kleineren Querschnitten, welche das Rad entnetzt. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Prozess reproduzierbar ist und für verschiedenen Materialarten wie inter- metallische Legierungen, konventionelle Legierungen, Metallelemente und amorphe Legierungen verwendet werden kann. Die Modifizierung der schmelz-spinn Einheit führte zu einer höheren Abschreckrate von bis zu 108!C/s. Die hohe Abschreckrate machte es zum ersten Mal möglich völlig amorphe nichtrostende Stahlfasern zu produzieren. Die Wärmebehandlung von amorphem nichtrostenden Stahl führte zu einer zweiphasigen Mikrostruktur (Nanokristalle zusammen eingeschlossen mit einer amorphen Phase) welche ver- antwortlich für die extrem großen Härtegrade von bis zu 14GPa verantwortlich sind. Dieser Wert ist sieben Mal höher als der Wert von originalem nichtros- tenden Stahls. Daher eröffnet diese Technik neue Möglichkeiten um mit konven- tionellen und amorphen Legierungen zu arbeiten z. B. lassen sich dadurch mech- anisch verbesserte, konventionelle Legierungsmikrofasern/-bänder herstellen oder neue Legierungsmikrostrukturen einführen.