DE1646805B2 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-faergewebe hoher festigkeit - Google Patents
Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-faergewebe hoher festigkeitInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit
ausgehend von Fäden aus Polymermaterial unter Erhitzen in oxydierender Atmosphäre unterhalb ihres
Schmelzpunktes.
Der Begriff »Kohlenstoff« soll dabei hier auch Graphit einschließen.
Kohlenstoff- und Graphitgewebe ist aus Berichte der Deutschen Keramischen Ges. 43 (1966), S. 199
bis 208, bekannt und wird danach beispielsweise aus Polyacrylnitrilfasern hergestellt, die zunächst der Voroxydationsbehandlung
und Verkohlung und die Kohlenstoff-Fasern dann der Verwebung unterworfen werden. Ein anderes Verfahren sieht dort vor, zunächst
ein Fasergewebe herzustellen und dieses anschließend der Verkohlungsbehandlung zu unterwerfen.
Ein derart durch Verkohlung gewebten Fasermaterials aus Seidenstapelfasern hergestelltes Kohlenstoffgewebe
hat z. B. eine Zugfestigkeit von etwa 4,45 kg/cm Dicke, und einzelne Fasern, die dem
Kohlenstoffgewebe entnommen wurden, haben eine Zugfestigkeit von etwa 35,16 kg/mma und einen
Elastizitäts-Modul von 3516 bis 6328 kg/mm3.
Nach der französischen Patentschrift 1 430 803 ist es bekannt, Kohlenstoff-Fasern mit sowohl hoher Zugfestigkeit
als auch hohem Elastizitätsmodul herzustellen, wobei ebenfalls von einer Voroxydationsbehandlung
Gebrauch gemacht wird, die bei 100 bis 25O0C stattfindet und bei der die Fasern gleichzeitig
einer Zugspannung ausgesetzt werden. Damit war jedoch noch keine Möglichkeit gegeben, auch ein
Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit herzustellen. Versuche, Kohlenstoff-Fasern nach der französischen
Patentschrift 1430 803 nach herkömmlichen Webmethoden zu einem Kohlenstoffgewebe zu verarbeiten,
waren nämlich nicht erfolgreich, da die Kohlenstoff-Fasern während der Verarbeitung brachen.
Es war auch nicht möglich, eine Stapelfaser aus Kohlenstoff zu bilden, woraus das Gewebe gewebt
werden konnte, da die Kohlenstoff-Fasern einen zu geringen Reibungskoeffizienten aufweisen.
ίο Auch der andere obengenannte Weg, zunächst ein
Fasergewebe aus Polymerfasern herzustellen und das Gewebe zu verkohlen, führte nicht zu dem angestrebten
Erfolg.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Herstellungsverfahren
von Kohlenstoff-Fasergewebe so auszubilden, daß ein Kohlenstoff-Fasergewebe höherer
Festigkeit als bisher erhältlich ist und die Verarbeitung der Fasern zum Gewebe trotzdem nach herkömmlichen
Webmethoden erfolgen kann. Dabei sollen die Fasern zunächst einer üblichen Voroxydationsbehand-Iung
unterworfen werden und nachher eine Verkohlungsbehandlung zu Fasern führen, die in hohem
Grade kristallin sind und bei denen die C-Achse der Graphitkristallite vorzugsweise senkrecht auf der
Faserlängsachse ausgerichtet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Fäden aus Polymermaterial in üblicher
Weise im Temperaturbereich von 100 bis 250° C unter Spannung oxydiert und dann zu einem gewebten Tuch
aus oxydierten Fäden gewebt werden und das gewebte Tuch aus oxydierten Fäden durch Erhitzen in einer
nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 10000C in üblicher Weise verkohlt
und in ein Kohlenstoff-Fasergewebe umgewandelt wird.
Vorteilhaft wird noch ein weiterer Verfahrensschritt angeschlossen, in welchem das Kohlenstoff-Fasergewebe
weiter auf eine Temperatur im Bereich oberhalb der Verkohlungstemperatur und bis zu 30000C
in einer nichtoxydierenden Atmosphäre wärmebehandelt wird.
Vorteilhaft wird das Gewebe auch während des weiteren Wärmebehandlungsschrittes unter Spannung
gehalten.
In einem Beispiel gemäß der Erfindung wurden 1 Vg Denier starke, kontinuierliche Fasern von Polyacrylnitril
mit geringen Gehalten anderer Stoffe erhitzt, während sie unter Spannung gehalten wurder, um ihre
Länge konstant zu halten, und in und durch eine oxydierende Atmosphäre geführt wurden, um schwarze
oxydierte Fäden zu ergeben. Die mechanischen Eigenschaften einzelner Fasern, die den oxydierten Fäden
entnommen wurden, waren folgende:
| 55 | Oxydationszeit bei | Zerreißfestigkeit | Dehnung beim Zerreißen |
| kg/mms | % | ||
| 2 Stunden | 28,61 | 19,6 | |
| 60 | 4 Stunden | 25,10 | 19,8 |
| 6 Stunden | 23,69 | 16,3 | |
| 8 Stunden | 19,47 | 8,3 |
Man sieht aus diesen Angaben, daß die Ausdehnungseigenschaften dieser oxydierten Fasern solche
sind, die es zulassen, daß die Fasern die Bearbeitungsbelastungen aushalten, welche während eines normalen
Webprozesses auftreten, und so ermöglicht wird, ein
gewebtes Tuch aus oxydiertem Polymermaterial herzustellen.
Das Gewebe des Tuches sollte genügend offen sein, um ein Schrumpfen in der Größenordnung von 12%
zuzulassen, und derart, daß ein Minimum von Biegungen in den Fasern auftritt, wo die Kett- und Einschußfäden
einander kreuzen.
Die anschließende Verkohlungs- und Wärmebehandlung eines gewebten Tuches von oxydiertem Fasermaterial
ergibt ein Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit auf Grund der hohen Festigkeit und des
hohen Elastizitätsmoduls der einzelnen Kohlenstofffasern, die das Gewebe bilden.
In einem Beispiel wurden unter Verwendung I1Z2 De.iier starker. Polyacrylnitril-Materials das Fasermaterial
zunächst unter genügender Spannung, um eine Schrumpfung zu verhindern, bei einer Temperatur
von 220° C 4 Stunden oxydiert. Das oxydierte Fasermaterial wurde dann zu einem Gewebe verwebt und
das Gewebe bei bis zu 100U0C verkohlt, wobei die
Temperatur von 220 auf 10000C mn einer Geschwindigkeit
von etwa 100° C pro Stunde gesteigert wurde.
20 einzelne Kohlenstofffasern wurden dem Kohlenstoff-Fasergewebe entnommen und hatten eine Durchschnittszerreißfestigkeit
von 200 kg/mms und einen Durchschnitts-EIastizitätsmodul von 17 580 kg/mms.
Nach weiterer Wärmebehandlung des KoHenstoff-
S gewebes durch Erhitzen auf eine Temperatur von 2500° C in nichtoxydierender Atmosphäre wurden dem
Kohlenstoff-Fasergewebe 20 einzelne Kohlenstoff-Fasern entnommen, die eine Durchschnittszerreißfestigkeit
von 140,62 kg/inm2 und einen Durchschnitts-E'astizitätsmodul
von 35 160 kg/mm2 aufwiesen.
Es ergibt sich daraus, daß ein Kohlenstoff-Fasergewebe, welches aus Kohlenstoff-Fasern mit einer so
hohen Festigkeit und einem so hohen Elastizitätsmodul besteht, selbst stark und als ein Verstärkungselement
in einem zusammengesetzten Material besonders brauchbar ist.
Es soll noch bemerkt werden, daß unter dem Begriff der hier verwendeten Polyacrylnitril-Fasern auch die
Copolymeren oder Terpolymeren des Acrylnitril mit anderen Monomeren, z. B. Methylmethacrylat oder
Vinylacetat, entweder allein oder unter Zusatz damit verträglicher Polymeren, z. B. Phenolharze oder
Friedel-Crafts-Kondensate, fallen.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Fasergewebe hoher Festigkeit ausgehend von Fäden
aus Polymermaterial unter Erhitzen in oxydierender Atmosphäre unterhalb ihres Schmelzpunktes, d adurch
gekennzeichnet, daß die Fäden aus Polymermaterial in üblicher Weise im Temperaturbereich
von 100 bis 250° C unter Spannung oxydiert und dann zu einem gewebten Tuch aus
oxydierten Fäden gewebt werden und das gewebte Tuch aus oxydierten Fäden durch Erhitzen in einer
nichtoxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1000r C in üblicher Weise
verkohlt und in ein Kohlenstoff-Fasergewebe umgewandelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen weiteren Verfahrensschritt, in welchem
das Kohlenstoff-Fasergewebe weiter auf eine Temperatur im Bereich oberhalb der Verkohlungstemperatur
und bis zu 3000 0C in einer nichtoxydierenden
Atmosphäre wärmebehandelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewebe während des weiteren
Wärmebehandlungsschrittes unter Spannung gehalten wird.
4. Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial
Polymerfasern aus Polyacrylnitril verwendet werden.
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