DE1270790B - Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4057¥W PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B29d

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 39 a3-3/02

1270 790
P 12 70 790.3-16
19. März 1960
20.Juni 1968

Die Erfindung betrifft Bauteile, die eine besonders große Widerstandsfähigkeit gegen heiße, mit großer Geschwindigkeit vorbeiströmende Gase haben. Solche Bauteile werden z. B. als Ausströmdüsen für Raketentriebwerke und entsprechende, in den austretenden Strahl einstehende Steuerflächen benutzt.

Es ist bekannt, für diesen Zweck hochschmelzende Metalle zu verwenden, die aber den erheblichen Nachteil haben, daß sie besonders spröde sind, was die Herstellung von entsprechend gestalteten Bauteilen schwierig macht. Ein weiterer Nachteil von Metallen ist in diesem Zusammenhang in ihrem relativ hohen Gewicht zu sehen, was insbesondere bei Raketentriebwerken kritisch ist.

Es ist auch versucht worden, aus glasfaserverstärkten Kunststoffplatten oder -folien zusammengesetzte Blöcke entsprechender Gestalt für solche Bauteile zu verwenden. Dabei hat sich aber gezeigt, daß wegen der blattartigen Struktur des fertigen Bauteils die vom heißen, schnell vorbeiströmenden Gas angegriffenen Oberflächen mechanisch zu schnell von den darunterliegenden Schichten abgelöst und geschmolzen werden. Dies scheint daran zu liegen, daß trotz der bekannt hohen Festigkeit der verwendeten Kunststoffe die angegriffenen Oberflächen nicht fest genug mit den darunterliegenden Materialschichten verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Bauteils mit möglichst hoher Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und Abtragung durch heiße, mit großer Geschwindigkeit auftreffender Gase, wobei eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit — im Gegensatz zu Metallen — gegeben sein soll und außerdem eine gute Festigkeit gegen thermische Stoßbeanspruchung vorliegen soll.

Die Erfindung besteht in der Verwendung eines kunstharzgebundenen Faserstoffschichtbauteils aus nebeneinanderstehenden und an ihren Seitenflächen sich berührenden Faserstoffstreifen aus diagonal geschnittenen Geweben, bei dem sich die kreuzenden Verstärkungsfasern zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Schichtbauteils erstrecken und dabei mit diesen einen spitzen Winkel bilden, als Bauteil, der eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Abtragung durch extrem heiße, mit hoher Geschwindigkeit vorbeistreichende Gase besitzt.

Ein Faserstoffschichtbauteil dieses Aufbaues ist als Brems- oder Kupplungsbelag bekannt, bei welchem das Gewebe aus Leinwand besteht.

Bei der Erfindung ist von Bedeutung, daß alle Verstärkungsfasern an der Wärmeleitung von der heißen zur kalten Seite teilnehmen und also in Richtung der Wärmeströmung keine Schichtung vorliegt. Wich-

Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil

Anmelder:

H. I. Thompson Fiber Glass Co.,

Los Angeles, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. W. Kemp, Patentanwalt,

5000 Köln-Lindenthal, Stadtwaldgürtel 20-22

Als Erfinder benannt:

Robert C. Nordberg, La Mirada, Calif.;

Leon Parker, Burbank, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. März 1959 (800 823)

tig ist auch, daß die Fasern von einer Seite bis zur anderen durchgehen und damit mechanisch besonders festgehalten sind, so daß also ein Herausreißen ein-

a5 zelner Fasern aus dem Block durch die mit großer Geschwindigkeit vorbeiströmenden Gase nicht möglich ist.

Der nach der Erfindung zu verwendende Schichtbauteil ist nicht spröde, was ein Hauptnachteil der Metalle ist. Er hat außerdem einen großen Wärmewiderstand, wodurch man die von der vorbeistreichenden Strömung abliegende Seite wesentlich kühler halten kann als beispielsweise bei entsprechenden Bauteilen aus Metall. Das Abspalten von Schichten, wie dies bei dem oben beschriebenen bekannten Fall möglich ist, kann deswegen nicht eintreten, weil die Schichten bei dem nach der Erfindung verwendeten Bauteil in derselben Ebene liegen, in welcher auch der Temperaturgradient verläuft.

In einer besonders zweckmäßigen praktischen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das verwendete Kunstharz ein Phenolharz ist.

Weiter besteht eine Ausgestaltung der Erfindung darin, daß sich unter den Fasern glasähnliche Silikatfasern befinden, aus denen alle Oxyde mit Ausnahme des Silikats entfernt worden sind.

In einer praktischen Ausführung kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß die Faserstoffstreifen einen durch Rotationsflächen begrenzten Hohlkörper bilden, bei dem die Faserstoffstreifen längs der Erzeugenden des Hohlkörpers liegen. Man kann also mit HiKe der Erfindung auch Rohre aus dem entsprechenden

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Material herstellen, die ζ. B. in ihrem Inneren die Gewicht von mindestens 960 kg/m³, am besten von

heißen, schnell strömenden Gase leiten. 1280 bis 1920 kg/m³ aufweisen.

Eine andere Ausbildung der Erfindung besteht darin, Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme daß ein oder mehrere Faserstoffstreifen gleichzeitig auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsschraubenförmig mit aneinander anliegenden Windun- S beispiele näher erläutert und beschrieben, gen um eine Mittelachse aufgewickelt sind, F i g. 1 zeigt die perspektivische Ansicht eines

Die für das Gewebe verwendeten Silikatfasern, die Faserstoffschichtbauteiles;

im allgemeinen durch Auslaugen von Glasfasern in Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht eines

neutraler oder vorzugsweise saurer Lösung hergestellt Faserstoffschichtbauteils ähnlich F i g. 1 mit beider-

werden, bis alle das Glas bildenden Oxyde mit Aus- io seits aufgebrachten Isolierschichten;

nähme des Silikats entfernt worden sind, bestehen F i g. 3 zeigt ein Paar von in Kombination mitein-

aus zumindest 90% SiO₂, haben aber gewöhnlich ander verwendeten Faserstoffschichtbauteilen;

96 % bis zu 99 % SiO₂. Es ist wesentlich, daß die F i g. 4 zeigt perspektivisch einen hohlen zylin-

Silikatfasern in amorpher Form vorliegen, obgleich drischen Körper;

ein geringer Anteil kristallinischen Materials vorhan- 15 F i g. 5 zeigt perspektivisch eine unter Verwendung

den sein darf. Der Ausdruck »glasähnlich«, der in von kunstharzgebundenen Faserstoffschichtbauteilen

Verbindung mit den gemäß der Erfindung verwendeten hergestellte Spirale;

Silikaten verwendet wird, bedeutet, daß nicht die F i g. 6 zeigt das Zerschneiden eines Gewebes auf kristallinen Formen des Silikats, sondern vielmehr einer Diagonalschneideinrichtung zur Herstellung der deren amorphe Formen verwendet werden sollen. 20 Faserstoffstreifen, die in Fig. 1 gezeigt sind, Die im wesentlichen amorphen Arten von Silikat- Gemäß F i g. 1 setzt sich der Schichtbauteil 10 fasern sind in den verschiedensten Formen erhältlich, zusammen aus einer Reihe von Streifen 12 aus Verunter anderem als lose Fasern wie auch als Gewebe. Stärkungsfasern, beispielsweise aus glasähnlichem SiIi-Bei den mit Silikatfasern verstärkten Schichtbauteilen katfasergewebe, gebunden mit einem Harz, beispielsnach der Erfindung werden diese Silikatfasern Vorzugs- 25 weise Phenol-Formaldehyd. Jeder der Faserstoffweise in Gewebeform verwandt. Die oben geschilderten streifen 12 ist auf einer Diagonalschneidemaschine ausgelaugten Silikatfasern schmelzen oder verdampfen geschnitten, so daß die Kett- und Schußfäden 14 und erst bei Temperaturen oberhalb 1650° C. 16 unter einem spitzen Winkel zu den Außenflächen 18

Derartige Silikatfasern sind von Vorteil nicht nur und 20 jedes der Faserstoffstreifen liegen. Die mit wegen ihres hohen Schmelzpunktes, sondern in gleicher 30 Harz gebundenen Faserstoffstreifen 12 sind durch je Weise auch wegen ihres Widerstands gegen Erosion. eine Harzzwischenlage 21 miteinander verbunden. Oberhalb von etwa 1650° C ist die Viskosität des Jede der Fasern 14 und 16 endigt sowohl in der Silikats hoch genug, um zu verhindern, daß es ohne Oberfläche 18 der Faserstoffstreifen als auch in der weiteres bei hohen Gasgeschwindigkeiten weggeblasen gegenüberliegenden Oberfläche 20. Infolgedessen verwird. Die meisten übrigen hitzebeständigen Werkstoffe 35 läuft der Wärmeleitweg von der heißen Seite, beiwürden bei den gleichen Temperaturen bereits recht spielsweise der Unterseite 22, des Schichtbauteils 10 flüssig werden. Ferner verdampft ein beträchtlicher zur gegenüberliegenden kalten Oberseite 24 derselben Anteil des Silikats, wodurch die Oberfläche des entlang der schrägliegenden Fasern 14 und 16, Durch Schichtbauteils gekühlt wird, was zu einer langsameren den langgestreckten Wärmeleitweg hat der entstehende Verbrennungsgeschwindigkeit des Materials führt. 40 Schichtbauteil eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Es können jegliche beliebigen Harze verwendet verbesserte physikalische Eigenschaften in bezug auf werden, die zur Bindung der Silikatfasern und zur seinen Widerstand gegen Trennung der einzelnen Bildung einer Platte geeignet sind; vorzugsweise sollen Lagen.

sie die weiter oben erwähnte Widerstandskraft gegen F i g. 2 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit des in hohe Temperaturen aufweisen. Zu diesen Harzen 45 F i g. 1 gezeigten Schichtbauteils 10 als Wärmeschutz, gehören sowohl durch Wärme härtbare wie auch Hierzu wird ein Paar nebeneinanderliegender flexibler thermoplastische Harze, vorzugsweise bei Hoch- Bögen 32 an der Unterseite 22 und ein ähnliches temperatur härtbare Harze. Beispiele für solche Harze Paar von Bögen 33 an der Oberfläche 24 des Schichtsind Phenolharze, wie Phenol-Formaldehyd und bauteile befestigt, wodurch die physikalische Festigkeit Phenol-Furfural, Harnstoff-Aldehyd-Harze, wie Harn- 50 der Platte erhöht wird.

stoff-Formaldehyd, Siliziumverbindungen, wie bei- Nach F i g. 3 sind zwei gleiche Schichtbauteile 10 spielsweise Methyl-Siliconharze, Melamin-Harze, und 10', deren jede gemäß der Erfindung aus einzelnen Epoxy-Harze (Kondensationsprodukte von Biphenol Streifen zusammengesetzt ist, derart übereinander- und Epichlorhydrin), Polyester-Harze, d. h. unge- gelegt, daß der obere Schichtbauteil gegenüber dem sättigte Alkyd-Harze in Verbindung mit einem 55 unteren um 90° verdreht ist. Die beiden Schicht-Monomer niedriger Viskosität, wie z. B. Styrol oder bauteile 10 und 10' können in jeder beliebigen Weise Diallyl-Phthalat, Vinyle, wie Polyvinylchlorid und miteinander verbunden werden, so daß sie eine -azetat, und Mischpolymerisate hiervon. Bevorzugte Doppelschichtplatte mit vergrößertem Widerstand Verwendung finden gemäß der Erfindung Mischungen gegen hohe Temperaturen und gegen Abtragung von Phenolharzen, wie Phenol-Formaldehyd, das 60 bilden.

auch unterschiedliche Anteile anderer Mischungs- Der Schichtbauteil 10 kann auch in anderen

bestandteile, wie z. B. Pigmente, Füllstoffe u. dgl. Kombinationen, beispielsweise in Verbindung mit

enthalten kann. Schichten aus Silikatfaserwatte oder in Verbindung

Vorzugsweise werden die Silikatfasern mit ungefähr mit einem honigwabenartig ausgebildeten Material, ver-

20 bis ungefähr 50% Harz imprägniert. Der Schicht- 65 wendet werden.

bauteil soll zwecks Erzielung des gewünschten hohen Von besonderer Bedeutung ist die Verwendung der

Widerstandes gegen Durchbrennen bzw. einer ver- Schichtbauteile zur Herstellung von rotationssymme-

hältnismäßig langen Durchbrennzeit ein spezifisches irischen Hohlkörpern, wie Zylindern (F i g. 4), Der

Zylinder 40 besteht aus einem Schichtbauteil 40, der um einen zylindrischen Kern herumgebogen ist, wobei die Faserstoffstreifen 43 parallel zur Achse dieses Kerns liegen. Bei dem dabei verwendeten Schichtbauteil 40 sind die Faserstoffstreifen 43 unter einem anderen Schrägwinkel aus dem Gewebe herausgeschnitten als die Faserstoffstreifen 12 des Schichtbauteils 10 (F i g. 1), und zwar so, daß die Kettfaden 42 länger als die Schußfäden 48 sind.

Bei dieser Ausführung ist die Länge der Kettfäden 42 von der heißen, beispielsweise der inneren Oberfläche 46 des Zylinders 50 zu der kalten Außenoberfläche 44 größer als die Länge der Schußfäden. Dadurch ist zwar der Wärmewiderstand in radialer Richtung etwas größer als bei die Oberflächen unter 45° schneidenden Fäden, die Tendenz zur physikalischen Ablösung der Schichten der Schichtplatte ist aber beträchtlich geringer wegen der durch die langgestreckten Fasern vergrößerten Scherfläche. Bei der Ausbildung nach F i g. 4 wird also eine erhöhte mechanische Festigkeit auf Kosten einer geringfügigen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit gewonnen.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in der Form eines hohlzylindrischen Körpers unter Verwendung spiralig angeordneter Schichtbauteile, die auf eine zu schützende Oberfläche aufgewickelt oder in eine solche Fläche eingebracht werden. Diese Körper können als Strömungskanal für heiße Gase dienen. Die den Zylinder 55' bildende Spirale 55 besteht aus einem langgestreckten Schichtbauteil 56 gemäß der Erfindung, der in aneinanderliegenden Windungen 56' spiralig auf einen Kern aufgewunden ist. Das Aufwinden des Schichtbauteils 56 auf den Kern kann kurz nach dessen Formung stattfinden, wobei das Harz nur teilweise polymerisiert ist. Nach Bildung der Spirale wird das Harz vollständig ausgehärtet.

Es ist besonders hervorzuheben, daß bei dieser Ausführungsform infolge des Biegens und Aufwindens des Schichtbauteils auf einen Kern die Kett- und Schußfäden 57 und 58 in einer langgestreckten bogenförmigen Bahn verlaufen. Daher erfolgt, wenn die Innenfläche 60 des spiraligen Hohlkörpers extrem hohen Temperaturen und hohen Gasgeschwindigkeiten ausgesetzt ist, ein Schmelzen der Fasern 57 und 58 entlang einer langgestreckten Bahn von der heißen Innenseite des Hohlkörpers zur kalten Außenfläche 59 derselben. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit des Schichtbauteils herabgesetzt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil aus nebeneinanderstehenden und an ihren Seitenflächen sich berührenden Faserstoffstreifen aus diagonal geschnittenen Geweben, bei dem sich die sich kreuzenden Verstärkungsfasern zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Schichtbauteils erstrecken und dabei mit diesen einen spitzen Winkel bilden, gekennzeichnet durch die Verwendung für einen Bauteil, der eine besondere Widerstandsfähigkeit gegen Abtragung durch extrem heiße, mit hoher Geschwindigkeit vorbeistreichende Gase besitzt.

2. Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Kunstharz ein Phenolharz ist.

3. Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter den Fasern glasähnliche Silikatfasern befinden, aus denen alle Oxyde mit Ausnahme des Silikats entfernt worden sind.

4. Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserstoffstreifen einen durch Rotationsflächen begrenzten Hohlkörper bilden, bei dem die Faserstoffstreifen längs der Erzeugenden des Hohlkörpers liegen.

5. Kunstharzgebundener Faserstoffschichtbauteil nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Faserstoffstreifen gleichzeitig schraubenförmig mit aneinander anliegenden Windungen um eine Mittelachse aufgewickelt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 593 300, 880 070; USA.-Patentschriften Nr. 2 542 593, 2 845109; Modem Plastics, Juni 1958, S. 105 bis 110, 218 bis 220.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 560/466 6.68 © Bundesdruckerei Berlin