DE3000436A1

DE3000436A1 - Schichtstoff

Info

Publication number: DE3000436A1
Application number: DE19803000436
Authority: DE
Inventors: Michel Maistre
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Priority date: 1979-01-09
Filing date: 1980-01-08
Publication date: 1980-07-17
Also published as: JPS5593443A; CA1114138A; GB2040805B; IT7928465A0; FR2446175A1; GB2040805A; IT1127780B; FR2446175B1; US4328272A

Description

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SOCIETE EUROPEENE DE PROPULSION
F-928OO Puteaux ( Prankreibh)

Schichtstoff

Die Erfindung betrifft einen Schichtstoff aus übereinandergestapelten Schichten eines zweidimensionalen festen Materials und geradlinigen Verstärkungselementen, die die gestapelten Schichten völlig durchdringen.

Schichtstoffe mit dreidimensionalen Verstärkungen werden durch Füllen des Verstärkungsmaterials mit einer Grundmasse erhalten. Derartige Verbundmaterialien werden insbesondere zum Herstellen von Teilen verwendet, die besonderen Beanspruchungen, z. B. hohen mechanischen oder thermischen Beanspruchungen, ausgesetzt sind.

Die Schichtstoffe werden aus übereinander angeordneten Schichten eines zweidimensionalen faserigen, festen Materials, wie Geweben, einseitig aus gerichteten Vliesen, Filzen, Papieren usw., gebildet. Alle solche Schichtstoffe haben den Nachteil, daß sie zum Bruch durch Aufblättern infolge geringer Festigkeit der Verbindung zwischen den Materialschichten neigen.

Zur Beseitigung dieses Nachteil ist schon vorgeschlagen worden, geschichtete Verstärkungen durch Verstärkungs-

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elemente zu verfestigen, die senkrecht zur Ebene der Schichten den Schichtenstapel durchdringen. Man erhält so eine 'dreidimensionale Schichtverstärkung. Die Verstärkungselemente sind entweder Fäden oder starre Stäbchen, die selbst eine Faserverstärkung enthalten können. Die Verstärkungoelemente insgesamt bilden ein praktisch geradliniges Bündel einander paralleler und gleichmäßig oder ungleichmäßig über die Oberfläche der Schichten verteilter Elemente.

In der Praxis wurde jedoch festgestellt, daß solche quergerichteten Verstärkungselemente nur einen geringen Schutz gegen Aufblättern bieten, da die Möglichkeit besteht, daß ein Teil des Schichtstapels an dem Bündel der Verstärkungselemente entlang gleitet und sich von dem anderen Teil des Stapels trennt. Wenn auch eine solche Trennung nicht unbedingt bis zur völligen Ablösung wie bei der Aufblätterung eines nicht verstärkten Schichtstoffes gehen muß, so stellt sie doch einen erheblichen Defekt dar, der die Unzulänglichkeit dieser Lösung zeigt.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine geschichtete Verstärkung zur Verfugung zu stellen, die eine spätere Ablösung der Schichten des Stapels in einem Verbundmaterial· zuverlässig verhindert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer geschichteten Verstärkung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Verstärkungselemente in mindestens zwei verschiedenen Richtungen zueinander angeordnet sind, jedes Verstarkungsel·ement mit der Tangentialebene der durchdrungenen Schichten einen V/inkel bildet und mindestens eine Richtung zur Senkrechten auf die durchdrungenen Schichten geneigt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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Selbstverständlich muß der Winkel, den jedes Verstärkungselement mit der Berührungsebene der durchdrungenen Schichten bildet, von Null verschieden sein.

Durch diese Anordnung der Verstärkungselemente befinden sich in jeder Zone des Stapels verschieden orientierte Verstärkungselemente, die eine zuverlässige Arretierung der Schichten aneinander ergeben.

Dieses Ergebnis kann sowohl durch eine wechselweise Anordnung der Verstärkungselemente gegenüber der Oberfläche der Schichten als auch durch ihre Orientierung gegenüber den Berührungsebenen der Schichten erzielt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die Verstärkungselemente jedoch mindestens zwei ineinander verschachtelte Gruppen, die gleichmäßig im Raum verteilt sind, wobei die Richtung der Elemente einer jeden Gruppe im ganzen Stapel von derjenigen der Elemente der anderen Gruppe verschieden ist.

Wenn die Schichten eben sind, kann jede Gruppe aus parallelen Elementen aufgebaut sein, die in parallelen Reihen von gleichem Abstand angeordnet sind, wobei jede Reihe aus mit gleichem Abstand angeordneten, parallelen Elementen besteht.

Wenn die Schichten auf Oberflächen koaxialer Rotationskörper, insbesondere zylindrischen Flächen liegen, sind die Verstärkungselemente einer jeden Gruppe vorzugsweise in Reihen aus parallelen Elementen von gleichem Abstand angeordnet, wobei die Reihen auf meridialen, regelmäßig unter einem Winkel versetzten Ebenen liegen und die Reihen von Elementen verschiedener Gruppen wechselweise auf den Meridianebenen angeordnet sind. Mindestens eine Gruppe der Elemente ist nicht radial angeordnet.

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Bei ringförmigen Verstärkungen ist zu berücksichtigen, daß alle Elemente, die unter dem gleichen Winkel zur Achse der Verstärkung geneigt sind und in derselben Meridianebene liegen, die gleiche Richtung haben, obwohl nicht alle parallel zueinander angeordnet sind.

Wie oben angegeben, sind die Verstärkungselemente in mindestens zwei verschiedenen Richtungen orientiert, die mit den Berührungsebenen der von den Elementen durchdrungenen Schichten einen von Null verschiedenen Winkel bilden. Im Falle mehrerer Gruppen von parallel angeordneten Elementen ist es wünschenswert, daß mindestens die Elemente einer Gruppe mit der Berührungsebene der von ihnen durchdrungenen Schichten einen Winkel bilden, der einen bestimmten Mindestwert überschreitet, um ein Gleiten der übereinander angordneten Schichten relativ zueinander zuverlässig zu verhindern. Ferner ist es wünschenswert, daß mindestens zwei Richtungen der Elementegruppen zwischen sich einen Winkel einschließen, der eine gewisse Mindestgröße überschreitet, um eine Trennung der Schichten zu ermeiden. In beiden Fällen beträgt die Mindestgröße des Winkels etwa 20°.

Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Dabei wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 bis 3 mehrere Ausführungsformen einer Verstärkung gemäß der Erfindung dargestellt sind.

BEISPIEL 1

In einer Verstärkung nach Figur 1 werden mehrere Schichten 10 aus parallel übereinandergestapeltem Kohlegewebe mit ebener Oberfläche von zwei Bündeln starrer geradliniger Stäbchen 11, 12 durchdrungen. Diese Stäbchen haben einen Durchmesser von 1 mm und bestehen aus Kohlenstoffasern, die

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durch ein verkohlbares Kunstharz gebunden sind. Jedes Bündel besteht aus einer Anzahl paralleler Stäbchen, die in eine Anzahl von einander parallelen Schichten oder Reihen aufgeteilt sind, die gleichmäßge Abstände von 8 mm voneinander haben.

In jeder Reihe sind die Stäbchen parallel zueinander und mit einem gleichmäßigen Achs abstand von 4 mm angeordnet. Die die Reihen der zwei Bündel definierenden Ebenen liegen parallel zueinander und wechseln regelmäßig miteinander ab, so daß jeweils eine Reihe des einen Bündels in der Mitte zwischen zwei Reihen des anderen Bündels liegt. Die Ebenen aller Reihen liegen rechtwinklig zur ebenen Oberfläche des Gexvebestapels . Die Richtungen der beiden Bündel, die durch die Richtungen der sie bildenden Stäbchen bestimmt werden, bilden jeweils beiderseits der Senkrechten auf die Oberfläche des Gewebestapels einen Winkel von 40^ mit dieser Senkrechten.

Bei der so hergestellten Schichtverstärkung wird jeder Quadratdezimeter von 240 Stäbchen eines jeden Verstärkungsbündels durchdrungen, so daß die Stäbchen insgesamt 4,9% des Gesamtvolumens der Verstärkung ausmachen.

Diese Verstärkung wird anschließend nach einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Kohle-Verbundmaterial mit Kohlegewebe-Verstärkung in ein Kohle/Xohle-Verbundmaterial übergeführt. Dies kann beispielsweise nach einem Verfahren geschehen, bei dem das Verstärkungsmaterial mit einem verkohlbaren Kunstharz gefüllt und dieses anschließend verkohlt wird, oder auch nach einem Verfahren, bei dem pyrolytischer Kohlenstoff aus der Dampfphase abgeschieden wird. Solche Verfahren sind beispielsweise in der französischen Patentschrift 74 24.243 beschrieben.

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Welches Verfahren auch angewendet wird — man erhält immer eine Verstärkung von geringer Aufblätterungsneigung, während dieser Fehler, der oft zur Zurückweisung einer Lieferung führt, bei einer entsprechenden Behandlung einer nicht verfestigten Verstärkung oder einer lediglich durch ein einziges Bündel paralleler Stäbchen verfestigter Schichtverstärkungen häufig auftritt.

BEISPIEL 2

Bei der Verstärkung nach Figur 2 werden parallel übereinandergestapelte Schichten 20 von Kohlefilz mit ebener Oberfläche von drei Bündeln starrer, geradliniger Stäbchen 21, 22, 23 durchdrungen.

Diese Stäbchen haben einen Durchmesser von 1 mm und bestehen aus Kohlefasern, die durch ein verkohlbares Kunstharz gebunden sind. Jedes Bündel besteht aus einer Anzahl paralleler Stäbchen, die durch eine Anzahl Schichten voneiner getrennt oder in Reihen angeordnet sind, die in parallelen Ebenen P , P , P,. mit einem gleichmäßigen Abstand von 5 mm liegen.

In jeder Reihe sind die Stäbchen parallel und mit einem regelmäßigen Abstand von 12,5 mm angeordnet. Die die Reihen der drei Bündel definierenden Ebenen erstrecken sich rechtwinklig zur ebenen Oberfläche des Filzstapels und schließen zwischen sich einen Winkel von 60° ein. Die Richtungen der drei Bündel, die durch die Richtungen der sie aufbauenden Stäbchen bestimmt werden, bilden mit der Oberfläche des Filzstapels einen Winkel von 46,2° und schließen zwischen sich einen Winkel von 73,7° ein. Bei dieser Verstärkung wird jeder Quadratdezimeter des Gewebes von 115 Stäbchen eines jeden der drei Verstärkungsbündel durchdrungen, so daß die Stäbchen insgesamt 3,8% des Volumens der Gesamtverstärkung ausmachen.

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Diese Verstärkungsmaterial verleiht Kohle/Kohle-Verbundmaterialien, bei denen es die Verstärkung bildet, einen ausgezeichneten Zusammenhalt. Es tritt keine Rißbildung oder Aufblätterung ein, wenn das Verbundmaterial sehr hohen thermomechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, beispielsweise bei der Verwendung zu Düsen von Feststoffraketen. Bei Verbundmaterial der gleichen Art, das aber nur ein Bündel paralleler Stäbchen enthält, ist das nicht der Fall.

BEISPIEL 3

Bei der Verstärkung nach Figur 3 wurde ein Band 30 aus Kohlegewebe spiralförmig übereinander auf einen zylindrischen Dorn von 100 mm Durchmesser so aufgewickelt, daß der Enddurchmesser etwa 200 mm betrug. Durch diesen zylindrischen Gewebewickel· wurden über die gesamte Schichtdicke zwei Gruppen starrer, geradiiniger Stäbchen 31, 32 hindurchgesteckt.

Diese Stäbchen von 1 mm Durchmesser bestanden aus einem Material auf der Basis von in einer Richtung sich erstrekkenden Kohiefasern. Jede Gruppe bestand aus 60 Stäbchenschichten oder -reihen, die in Ebenen angeordnet waren, die sich durch die Achse des Dorns und durch Meridiane erstreckten, die regelmäßig um 6° zueinander versetzt waren. Die Reihen einer Gruppe waren um 3° gegenüber den Reihen der anderen Gruppe so versetzt, daß sie regelmäßig miteinander abwechselten. In der Mitte einer jeden Reihe liegen die Stäbchen parallel zueinander und haben eine regelmäßigen Abstand von 4 mm zwischen den Achsen. Die Stäbchen einer jeden Gruppe schließen jeweils beidseitig einen Winkel von 40° mit der örtlichen Senkrechten auf die Oberfläche des Gewebes ein.

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Bei dieser Verstärkung ist die Anzahl der 1 Quadratdezimeter des Gewebes durchdringenden Stäbchen und ihr Volumenanteil an der Verstärkung von der Mittenhöhe der Wikkelschicht abhängig. Die Werte nehmen gleichmäßig vom Innendurchmesser des Wickels zum Außendurchmesser hin ab. So wird jeder Quadratmeter Gewebe in der Höhe des Innendurchmessers des Wickels von 366 Stäbchen einer jeden Gruppe durchdrungen, an der Außenfläche dagegen im Mittel nur von 183 Stäbchen. Parallel dazu nimmt der Stäbchengehalt von 7,5 auf 3,75% ab.

Eine derartige achsensymmetrische Verstärkung ist insbesondere für die Herstellung ringförmiger Teile aus feuerfesten Verbundmaterialien geeignet, die sehr hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wie die Düsen von Feststoffraketen.

BEISPIEL 4

Ein Filzband wurde spiralförmig übereinander auf einen zylindrischen Dorn von 100 mm Durchmesser aufgewickelt, bis ein Enddurchmesser von 200 mm erreicht war. Dieser zylindrische Wickel wurde sodann über die gesamte Schichtdicke mit zwei Gruppen starrer, geradliniger Stäbchen der gleichen Art wie bei dem Wickel des Beispiels 3 durchsteckt.

Diese Stäbchen hatten einen Durchmesser von 2 mm und bestanden aus einem Material auf der Basis von in einer Richtung sich erstreckenden Kohlefasern. Jede Gruppe bestand aus 60 Stäbchenschichten oder -reihen, die in Ebenen angeordnet waren, die sich durch die Achse des Dorns erstreckten und regelmäßig zueinander um 6° versetzt waren. Die Reihen einer Gruppe waren gegenüber den Reihen der anderen Gruppe um 3° versetzt und wechselten sich regelmäßig ab. In der Mitte einer jeden Reihe liegen die Stäb-

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chen dann zueinander parallel und haben einen regelmäßigen Abstand von 3 mm zwischen den Achsen. Die Stäbchen einer jeden Gruppe schließen jeweils beidseitig mit der örtlichen Senkrechten auf die Oberflächen des Gewebes einen Winkel von 40° ein.

Bei dieser geschichteten Verstärkung nimmt der Gehalt an Stäbchen gleichmäßig von 4 0% in der Höhe des Innendurchmessers auf 20% in der Höhe des Außendurchmessers ab. Jeder Quadratmeter Filz wird in der Höhe des Innendurchmessers von 488 Stäbchen jeder der beiden Gruppen und in der Höhe des Außendurchmessers von 244 Stäbchen durchdrungen.

Selbstverständlichen können beiden vorstehenden Beispielen auch andere Materialien als Kohle für den Aufbau der Verstärkung und der Verbundmaterialien benutzt werden.

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Claims

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PATENTAN WA LTSBÜHO

SCHUMANNSTR. 97 · D-4000 DÜSSELDORF Telefon: (0211) 683346 Telex: 08586513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · DipL-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER ■ Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ

Ansprüche

/ 1.· Scnichtstoff aus übereinandergestapelten Schichten eines \_J zweidimensionalen festen Materials und geradlinigen Verstärkungselementen, die die gestapelten Schichten völlig durchdringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente (11, 12; 21-23; 31, 32) in mindestens zwei verschiedenen Richtungen zueinander angeordnet sind, jedes Verstärkungselement ( 11, 12; 21-23; 31, 32) mit der Tangentialebene der von ihnen durchdrungenen Schichten (10, 20, 30) einen V/inkel bildet, und mindestens eine dieser Richtungen zur Senkrechten auf die durchdrungenen Schichten ( 10, 20, 30) geneigt ist.
2.Schichtstoff nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente (11, 12; 21-23; 31j 32) mindestens zwei ineinander verschachtelte, gleichmäßig im Raum verteilte Gruppen bilden, v?obei die Richtung der Elemente (11, 12; 21-23; 31, 32) einer jeden Gruppe im ganzen Stapel von der Richtung der Elemente der anderen Gruppe verschieden ist.
3. Schichtstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der Elemente (11, 12; 21-23; 31, 32) mindestens zweier Gruppen nach gegenüberliegenden Seiten der Senkrechten auf die Schichten ( 10, 20, 30) geneigt sind.

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4. Schichtstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei ebenen Schichten (10,20) die Elemente (11, 12; 21-23) in parallelen Ebenen angeordnet sind.
5. Schichtstoff nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (11, 12) einer jeden Gruppe in parallelen Reihen und die Elementereihen, der verschiedenen Gruppen abwechselnd angeordnet sind.
6. Schichtstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennz ei chne t, daß die Schichten (30) auf der Oberfläche koaxialer Rotationskörper und die Verstärkungselemente (3I₃ 32) in meridialen Ebenen angeordnet sind.
7. Schichtstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (31, 32) einer jeden Gruppe in den meridialen Ebenen in " Reihen und die Reihen der Elemente (31, 32) verschiedener Gruppen abwechselnd angeordnet sind.

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