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DE2831062A1 - Verfahren zur gewinnung eines fasertraegers zur herstellung von verbundwerkstoffen - Google Patents

Verfahren zur gewinnung eines fasertraegers zur herstellung von verbundwerkstoffen

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DE2831062A1
DE2831062A1 DE19782831062 DE2831062A DE2831062A1 DE 2831062 A1 DE2831062 A1 DE 2831062A1 DE 19782831062 DE19782831062 DE 19782831062 DE 2831062 A DE2831062 A DE 2831062A DE 2831062 A1 DE2831062 A1 DE 2831062A1
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DE
Germany
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fibers
carrier
leaflets
carbon
flat
Prior art date
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Ceased
Application number
DE19782831062
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English (en)
Inventor
Jaques Boucher
Joseph Gellon
Pierre Girard
Jean-Pierre Slonina
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mersen SA
Original Assignee
Carbone Lorraine SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Carbone Lorraine SA filed Critical Carbone Lorraine SA
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Ceased legal-status Critical Current

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Description

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" Verfahren zur Gewinnung eines Paserträgers zur Herstellung von Verbundwerkstoffen"
Priorität: 29. Juli 1977, 77 23375, Frankreich
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Paserträgers zur Herstellung von Verbundwerkstoffen. Sie beschäftigt sich insbesondere mit der Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundwerkstoffen .
Im allgemeinen wird ein Verbundwerkstoff ausgehend von einem aus Fasern bestehenden Träger hergestellt, in dessen Zwischenhohlräume ein Füllmittel eingebettet wird. Beispielsweise kann im Falle eines Kohlenstoff-Kohlenstoffverbundwerkstoffs ein Kohlenstoffaserträger mit einem Harz, das polymerisiert und pyrolysiert wird, oder mit einem Pech, -■ das pyrolysiert wird, imprägniert werden. Auf einen solchen Träger kann auch pyrolytischer Kohlenstoff aufgedampft werden.
Um das Einbetten des Füll- oder Überzugsmittels zu erleichtern, ist es erforderlich, daß die Zwischenhohlräume des Trägers homogen und gleichmäßig verteilt sind und gut miteinander sowie nach außen in Verbindung stehen.
Ein bekanntes Verfahren besteht darin, daß Fasern zu Basiselementen, wie etwa Stäbchen, vereinigt werden,und daß diese Basiselemente in drei zueinander senkrechten Richtungen aneinandergefügt werden. Die Durchführung dieses Verfahrens stößt auf zwei HauptSchwierigkeiten:
- die Zwischenräume sind entsprechend der Aufbauweise groß und betragen für zylindrische Stäbchen etwa 40 %. Wenn zylindrische Paserstäbchen dicht aneinandergefügt in -^-
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drei zueirander senkrechten Richtungen angeordnet werden, enthält eine Elementarzelle, deren Grenzen der halben Schrüfcweite des Aufbaus entsprechen, dreimal ein Viertel des Paserzylinders. Es ergibt sich folglich ein Verhältnis zwischen dem Volumen des Paserträgers und dem Volumen des End Substrats von ungefähr 60 %. Die Zwischenhohlräume sind darüber hinaus für das Überzugsmaterial schwer zugänglich, vor allem wenn dieses dampfförmig niedergeschlagen werden soll;
der Aufbau des Trägers, wobei ein Stäbchen nach dem anderen angeordnet wird, ist mit endlicher Schrittweite schwer durchführbar.
Bei einem anderen Verfahren wird ein Fasergewebe, dessen Webfäden in zwei zueinander senkrechten Richtungen gewebt sind, auf zu dem Gewebe senkrechte metallische Stäbe gesetzt, die abschließend durch Faserdochte ersetzt werden. Dieses Verfahren weist folgende Nachteile auf:
auf die Metallstäbe kann nur eine begrenzte Anzahl von Geweben aufgesetzt werden, wodurch die Dicke des Trägers begrenzt ist,
die Positionierung der Gewebe ist schwierig und das Ersetzen der Metallstäbe durch Faserdochte ist eine lange und kostspielige Arbeit,
das Verfahren kann nicht automatisiert werden, wenn der Abstand zwischen zwei Metallstäben gering, beispielsweise in der Größenordnung von Millimetern, ist.
Für verschiedene Anwendungszwecke werden Verbundwerkstoffe mit möglichst isotropen physikalischen Eigenschaften gewünscht. Hierzu ist es erforderlich, daß die Fasern des Trägers rings um einen Punkt in mehrere nicht koplanare Richtungen verlaufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Träger mit diesen Eigenschaften zu schaffen.
Für andere Anwendungszwecke werden Verbundwerkstoffe mit einer größtmöglichen Kompaktheit gewünscht. Hierzu ist es erforderlich,
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daß das Verhältnis des Trägervolumens zum Volumen des fertigen Verbundwerkstoffes möglichst groß ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines Trägers mit großem Füllkoeffizient.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sollen die mit dem oben beschriebenen Verfahren verbundenen Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Gewinnung eines Faserträgers zur Herstellung von Verbundwerkstoffen durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:
- mit Hilfe eines Bindemittels werden Pasern in Form eines ebenen Blattes zusammengefügt, das Blatt wird perforiert und in ebene identische Blättchen geschnitten, wobei die feinen und gleichmäßig verteilten Löcher ein Gitter bilden,
- die auf diese Weise erzeugten Blättchen werden bis zur gewünschten Trägerdicke übereinandergelegt, so daß sich die Perforationslöcher gegenüberliegen und Kanäle bilden,
- mit demselben Bindemittel als die Faser des obengenannten Blattes oder mit einem anderen Bindemittel werden zu Docht oder Stäbchenform zusammengefügte Fasern in die Kanäle eingeführt und
- die Bindemittel, die zur Zusammenfügung der Fasern dienten, werden durch ein an sich bekanntes Verfahren entfernt.
Die verwendeten Fasern können beispielsweise aus aromatischen Polyamiden, Kohlenstoff, Graphit, Polyacrylnitril usw. bestehen. Es können für die ebenen Blätter..- . und die Dochte oder Stäbchen entweder dieselben Materialien oder auch verschiedene Materialien verwendet werden.
Wenn ein reiner Kohlenstoffträger hergestellt werden soll, kann beispielsweise ein Kohlenstoffblldner, wie etwa vernetztes Polyacrylnitril, zur Herstellung des ebenen Blattes und Kohlenstofffasern zur Herstellung der Dochte oder Stäbchen verwendet werden. Nach seinem Aufbau wird der Träger einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Kohlenstoffbildner in Kohlenstoff überzuführen,wodurch schließlich ein reiner Kohlenst of ft rager erhalten wird,der den _g^_
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klassischen Überzugsbehandlungen ausgesetzt werden kann.
Das Zusammenfügen der Fasern in den ebenen Blättern kann auf verschiedene Weise erfolgen und insbesondere werden diese in Form von Geweben mit bidirektional gerichteten Webfäden und in der Form von unidirektionalen Faservliesen erzeugt.
Wenn die ebenen Blätter aus Geweben bestehen, dessen Fasern bidirektional gewebt sind, kann der Webwinkel 90° betragen. In diesem Fall können die Perforierungen in Richtung der Fasern erfolgen und es wird schließlich ein tridirektionaler Träger erhalten.
Der Webwinkel kann auch beliebig sein. In diesem Fall können die Perforierungen in einer der Faserrichtungen und in einer Richtung senkrecht zu dieser erzeugt werden, wobei in beiden Richtungen die gleiche Schrittweite gewählt wird, so daß sich ein .quadratisches Muster ergibt. Es genügt,die Blättchen, die zuvor quadratisch geschnitten wurden, beim Aufeinanderstapeln zu kreuzen, um schließlich einen multidirektionalen Träger zu erhalten.
Wenn die ebenen Blätter unidirektionale Faservliese sind, können die Perforierungen in der Richtung der Fasern und senkrecht zu dieser Richtung angebracht werden, wobei wiederum in beiden Richtungen die gleiche Schrittlänge gewählt wird, so daß ein quadratisches Muster erhalten wird. Die quadratisch geschnittenen Blättchen werden danach so Übereinandergestapelt, daß die Fasern eines Blättchens orthogonal zu dem nächstfolgenden Blättchen sind, wodurch ein tridirektionaler Träger erhalten wird.
Das durch die Perforierungen gebildete Netz kann unterschiedliche geometrische Konfigurationen aufweisen: es kann insbesondere quadratisch sein, wie oben beschrieben und wie in Figur 1 dargestellt. Es kann auch hexagonal sein. Im letzteren Fall erhält man bei Verwendung von unidirektionalen Faservliesen und beim Aufeinanderstapeln der Blättehen ·
quadrodirektionalen Träger.
anderstapeln der Blättehen versetzt um einen Winkel von 60 einen
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Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, andere Arten von Perforierungen und andere Arten des übereinanderanordnens der Blättchen vorzusehen.
Die Träger, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhalten werden, weisen die folgenden erwünschten Eigenschaften auf:
in jedem Fall sind die Zwischenhohlräume homogen und gleichmäßig verteilt und stehen sowohl unter sich als auch mit der Außenumgebung in Verbindung, wodurch das Einbetten des Überzugsmaterials bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes erleichtert wird,
es ist möglich, durch geeignete Wahl der Orientierung der Fasern in verschiedenen Stadien des Verfahrens einen Träger zu erhalten, dessen Fasern rings um einen Punkt in mehreren nicht koplanaren Richtungen liegen,- wodurch schließlich ein Verbundwerkstoff mit im wesentlichen isotropen Eigenschaften erhalten wird,
es ist möglich, sehr kompakte Träger herzustellen: das Verhältnis zwischen Trägervolumen zum Volumen des fertigen Verbundwerkstoffes kann einen Wert nahe von 0,80 erreichen, wenn die Perforierung mit einem quadratischen Muster erfolgt .
Darüber hinaus bietet das Verfahren gemäß der Erfindung die folgenden Vorteile:
feine Blättchen mit feiner Porösität können verwendet werden, was letztlich die Verdichtung des Verbundwerkstoffes erleichtert,
- das Schneiden und die Perforierung der Blätter können ebenso wie das Aufeinanderstapeln der Blättchen und das Einführen der Dochte oder Stäbchen automatisch durchgeführt werden,
- die Perforierungsschritte können klein etwa in der Größenordnung von 0,5 mm sein.
In dem Fall, in dem zur Herstellung der Blätter lediglich vernetzte Fasern verwendet werden, die durch eine thermische Schlußbehandlung
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karbonisiert werden, führt das letztere zu einer Schrumpfung, die gleichzeitig zu einem Träger mit ausgezeichneten Kohäsionseigenschäften führt und gleichzeitig mit sich bringt, daß die Schrittweite der Perforationen verringert wird.
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhaltenen Träger eignen sich gut für verschiedene Überzugstechniken, durch die sie in Verbundwerkstoffe umgewandelt werden, die für verschiedene Anwendungszwecke geeignet sind. Es seien genannt Düsen, Raketenspitzen für den Wiedereintritt in die Atmosphäre, Plugzeugbremsen etc.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, auf das die Erfindung keineswegs beschränkt ist, näher erläutert.
Beispiel:
Das Beispiel bezieht sich auf die Herstellung eines reinen Kohlenstoff trägers.
Es werden Pasern aus vernetztem Polyacrylnitril in Form eines unidirekt ionalen Vlieses von 0,25 mm Dicke und mit einem Füllkoeffizient von 0,90 zusammengefügt.
Dieses Vlies wird automatisch in quadratische Blättchen von 200 mm Kantenlänge übergeführt. Das Blättchen enthält:
einen Bereich von l60 χ l60 mm, der mit Perforierungen von 0,7 mm Durchmesser mit einer Schrittweite von 1,4 mm in zwei zueinander senkrechten Richtungen versehen ist. Die Perforierung verläuft längs und senkrecht zur Richtung der Fasern, ' - Ränder mit acht Führungsperforationen von 5 x 10 nun.
Tausend auf diese Weise hergestellte Blättchen werden auf acht Metallführungen eines Trägerrahmens, dessen Abmessungen den Blättchen entsprechen, gegenseitig gekreuzt übereinandergelegt, so daß die Fasern des einen Blattchens orthogonal zu den Fasern des nächstfolgenden Blättchens sind. Die feinen Perforierungen der tausend Blättchen liegen sich exakt gegenüber und bilden Kanäle, in die Faserstäbchen aus Kohlenstoff mit großem Elastizitätsmodul, die _g_
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durch Paraffine versteift sind und die einen Durchmesser von 0,4 mm aufweisen, eingeführt werden. Der Füllkoeffizient in der Richtung senkrecht zu den Blättchen beträgt 0,85·
Der Füllkoeffizient des Trägers liegt folglich in der Größenordnung von 0,76.
Der auf diese Weise erhaltene Träger wird einer Wärmebehandlung bei 12000C unterzogen, wodurch die Bindemittel entfernt und die Fasern der Blättchen in Kohlenstoffasern mit hohem Elastizitätsmodul übergeführt werden. Schließlich wird ein reiner Kohlenstoffträger erhalten, dessen Kompaktheit durch die Schrumpfung erhöht wird. Die Schrumpfung führt zu einer Schrittweite des Stäbchennetzes von etwa 1,25 mm.
Der auf diese Weise erhaltene Träger ist insbesondere für die Durchführung eines chemischen Niederschlagverfahrens von dampfförmigem Kohlenstoff geeignet. Die Enddichte des Verbundwerkstoffes kann den Wert von 1,9 erreichen.
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-/Id'
Leerseife

Claims (1)

  1. DIETRICH LEWINSKY
    HONZ-JOACHIM KUBER
    REINER PRIETSCH
    M DNCHEN 21 14.Juli 1978
    GOTTHAROSTR. 81 10.385-V/Ni
    Le Carbone-Lorraine, Rue Jean-Jaures 37Li*l,F-92231 Gennevilliers (Prankreich)
    P at ent a η s ρ r ü c h e:
    1. Verfahren zur Gewinnung eines Faserträgers zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    - mit Hilfe eines Bindemittels werden Pasern in Form eines ebenen Blattes zusammengefügt,
    - das Blatt wird perforiert und in ebene identische Blättchen geschnitten, wobei die feinen und gleichmäßig verteilten Löcher ein Gitter bilden,
    - die auf diese Weise erzeugten Blättchen werden übereinandergelegt, so daß sich die Perforationslöcher gegenüberliegen und Kanäle bilden,
    - mit demselben Bindemittel als die Paser des obengenannten Blattes oder mit oinesn anderen Bindemittel werden zu Docht oder Stäbchenform zusammengefügte Fasern in die Kanäle eingeführt und
    - die Bindemittel, die zur Zusammenfügung der Pasern dienten, werden durch ein an sieh bekanntes Verfahren entfernt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ebene Blatt ein Gewebe ist, dessen Fasern bidirektional gewebt sind.
    3ο Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Webwinkel 90° beträgt und daß die Perforierung in Richtung der Fasern erfolgt, wodurch ein tridirektionaler Träger erhalten wird.
    1J. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Webwinkel beliebig ist und daß die Perforierung in einer der
    809886/0734
    Richtungen der Pasern und in einer Richtung senkrecht zu dieser mit gleichen Schrittweiten in den beiden zueinander senkrechten Richtungen erfolgt und daß die ebenen Blättchen quadratisch geschnitten und so aufeinandergelegt werden, daß sich die Pasern zweier benachbarter Blättchen kreuzen, wodurch ein multidirektionaler Träger erhalten wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ebene Blatt ein unidirektionales Faservlies ist.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierung in Richtung der Fasern und in einer Richtung senkrecht zu dieser mit gleicher Schrittweite in den beiden zueinander senkrechten Richtungen erfolgt und daß die Blättchen quadratisch geschnitten und so übereinandergelegt werden, daß die Fasern zweier benachbarter Blättchen sich kreuzen, wodurch ein tridirektionaler Träger erhalten wird.
    J. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierungen ein Hexagonalnetz bilden und daß die Blättchen um 60 gegeneinander versetzt übereinandergelegt werden, so daß ein quadrodirektionaler Träger erhalten wird.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die ebenen Blätter darstellenden Fasern und die Fasern der Dochte oder Stäbchen aus aromatischen Polyamiden, Kohlenstoff, Graphit oder Kohlenstoffbildnern wie Polyacrylnitril bestehen.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des ebenen Blattes aus vernetzten! Polyacryl/Tbestehen, daß die Fasern der Dochte oder Stäbchen aus Kohlenstoff bestehen und daß der Träger einer thermischen Behandlung unterzogen wird, um die Fasern der Blätter zu karbonisieren, wodurch ein reiner Kohlenstoffträger erhalten wird.
    - 3 809886/0734
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