CH621857A5

CH621857A5 - Screw of a composite material containing carbon fibres

Info

Publication number: CH621857A5
Application number: CH136278A
Authority: CH
Inventors: Philip Dr Rer Nat Rose; Udo Gruber
Original assignee: Sigri Elektrographit Gmbh
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1981-02-27
Also published as: AT356971B; GB1557762A; ATA868477A; DE2705336A1; FR2380459A1

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aufrechterhaltung der hohen Zug- und Biegefestigkeit die Scherfestigkeit von Schrauben aus einem kohlenstoffaserverstärkten Verbundwerkstoff zu verbessern. Diese Schraube enthält in einer Matrix verteilt Kohlenstoffasern 2, die im Schraubenkern 1 in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde 3 unter einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes. Die Matrix des Verbundwerkstoffes besteht nach der Erfindung vorzugsweise aus Kohlenstoff. Andere geeignete Matrixwerkstoffe sind beispielsweise härtbare Kunstharze, wie Epoxidharze und Phenolformaldehydharze. Unter dem Begriff Kohlenstoffasern werden nach der Erfindung ebenfalls Graphitfasern verstanden, die aus Kohlenstoffasern durch einen thermischen Prozess hergestellt werden. Erfindungsgemässe Schrauben sind schliesslich nicht auf besondere Gewindeformen und -Steigungen beschränkt.

In Schrauben gemäss der Erfindung sind die Vorteile eines Verbundwerkstoffes mit unidirektional angeordneten Verstärkungsfasern und eines mehrere gegeneinander versetzte Faserlagen enthaltenden Werkstoffs vereinigt, wobei der Schraubenkern bevorzugt Zug- und Biegespannungen und die Gewindegänge Scherspannungen aufnehmen, wodurch bei ungeschmälerter Zug- und Biegefestigkeit des Schraubenkerns eine wesentlich höhere Scherfestigkeit der Gewindegänge erreicht wird.

Als Verstärkungsfasern für erfindungsgemässe Schrauben sind besonders Kohlenstoff- oder Graphitfasern mit einer Reissfestigkeit > 2 kN/mm2 geeignet, die gegebenenfalls nach einer die interlaminare Scherfestigkeit verbesserten Oberflächenbehandlung mit einem härtbaren Kunstharz, wie z.B. Epoxid-, Furan- oder Phenolharz imprägniert und beschichtet, in Schichten ausgelegt und anschliessend nach Trocknung und pertieller Härtung des Harzes zu Platten oder zylindrischen Stäben verpresst werden. Nach vollständiger Härtung der Harzmatrix, die zweckmässigerweise im Temperaturbereich zwischen etwa 150 und 200° C vorgenommen wird, werden aus den etwa 40 bis 70 Vol.-% unidirektional geordnete Kohlenstoffasern enthaltenden Rohkörpern Zylinder herausgearbeitet, deren Durchmesser gleich dem Kerndurchmesser der jeweiligen Schraube ist; in dem gleichen Arbeitsgang kann in bekannter Weise der Schraubenkopf hergestellt werden. Nun wird auf den Kern im Wickelverfahren aus kunstharzimprägnierten Garnen oder Rovings eine aus mehreren Lagen bestehende Schicht bis zum gewünschten Aussendurchmesser der Schrauben aufgezogen. Die Kohlenstoffasern verlaufen in dieser Schicht in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Schraubenkerns, bevorzugt entspricht der Winkel dem Steigungswinkel der Schraube. Nach Härtung des Harzes wird dann in bekannter Weise das Gewinde geschnitten.

Zur Herstellung von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix werden Schrauben, die eine Harzmatrix enthalten, zur Carboni-sierung des Harzes in einer inerten Atmosphäre auf etwa 1000° C erhitzt. Da die Harzmatrix unter diesen Bedingungen schrumpft, ist im allgemeinen zur Korrektur der Massänderungen eine Nacharbeitung erforderlich. Nach einem anderen Verfahren werden daher als Matrixmaterial für Schrauben aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff Steinkohlenteerpech-kokse verwendet. Die Kohlenstoffasern werden dabei mit einem Teerpech imprägniert, in Schichten ausgelegt und zu Platten oder zylindrischen Stäben verpresst. Auf die Rohlinge werden nun nach entsprechender Bearbeitung aus pechimprägnierten Rovings oder Garnen mehrere Lagen aufgewickelt oder die Rohlinge werden zunächst carbonisiert und daran anschliessend bearbeitet und mit Wickelschichten versehen. Im zweiten Fall ist eine zweite Erhitzung auf die Carbonisierungstemperatur erforderlich. Das Gewinde wird jeweils nach der letzten Carbo-nisierung geschnitten.

Im folgenden werden anhand von Beispielen und einer Zeichnung Herstellung und Eigenschaften erfindungsgemässer Schrauben beschrieben.

Beispiel 1

Kohlenstoffaserrovings mit 10 000 Filamenten wurden zu Bändern ausgelegt, mit dem handelsüblichen Harzsystem Epi-kote ® DX 210 / Epikure ® DX137 imprägniert, 30 min bei einer Temperatur von 80° C getrocknet und in einer Pressform unter einem Druck von 0,7 N/mm2 auf 140° C erhitzt. Aus dem Rohkörper, dessen Faseranteil ca. 60 Vol.-% betrug, wurden Stäbe mit dem Querschnitt 10 X 10 mm in Richtung des Faserverlaufs geschnitten und die Stäbe auf einen Durchmesser von 9 mm abgedreht. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten, die mit dem handelsüblichen Harzsystem Araldit ® LY 556/HY 951 imprägniert waren, wurden dann unter einer um ca. 85° gegen die Zylinderachse geneigten Richtung aufgewickelt und in die Wickellagen nach einer Härtungszeit von 15 h ein Gewinde mit einem Steigungswinkel von 5° geschnitten. Die Biegefestigkeit des Schraubenkerns betrug 1300 bis 1500 N/mm2, die Biegefestigkeit des Gewindes 450 bis 500 N/ mm2

Beispiel 2

Unidirektional ausgelegte Kohlenstoffaser-Gewebebänder wurden in einer Pressform mit feingemahlenem, bei einer Tem5

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peratur oberhalb 180° C erweichenden Hartpech beschichtet und die Anordnung in einem Ofen auf etwa 300° C erhitzt und anschliessend unter einem Druck von 0,7 N/mm2 verdichtet. Die Rohkörper wurden dann unter einem Druck von 25 bar auf 550° C erhitzt, abgekühlt und zweimal mit einem Steinkohlen-teerpech mit einem Erweichungspunkt von ca. 60° C imprägniert. Nach jedem Imprägnierungsschritt wurden die Körper unter Druck auf 550° C und nach der zweiten Imprägnierung zur vollständigen Carbonisierung der Kohlenstoffmatrix drucklos auf ca. 1000° C erhitzt. Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden aus dem Rohkörper zylindrische Stäbe hergestellt, deren Verstärkungsfasern parallel zur Längsachse der Zylinder angeordnet waren. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten wurden dann unter einem Winkel von 85° trocken auf die zylindrischen Kerne aufgewickelt und die Schichten wie oben beschrieben mit Pech imprägniert, carbonisiert und das Gewinde geschnitten. Bei einem Faseranteil von ca. 60 Vol.-% wiesen die Schrauben folgende Eigenschaften auf:

Kern

400 bis 500 110 000

Gewinde 450 N/mm2 110 000 N/mm2

Biegefestigkeit Elastizitätsmodul

5 In der Zeichnung verlaufen im Schraubenkern 1 die Kohlenstoffasern 2 parallel zur Schraubenlängsachse. Im Gewinde 3 folgen die Verstärkungsfasern der Gewindesteigung. Verglichen mit bekannten Schrauben aus einem Verbundwerksotff ist der Schraubenkern und damit die Festigkeit der Schraube unverän-io dert, die Abscherfestigkeit der Gewindegänge ist, wie das Vergleichsbeispiel zeigt, jedoch wesentlich grösser.

Für die Abscherung eines Gewindegangs im Durchschnitt aufzuwendende Kraft:

Matrix

Kunstharz Kohlenstoff unidirektionale Faserorientierung

2 800 N 500 N

gewickelte Gewindegänge

4 400 N 850 N

C

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Schraube aus einem Kohlenstoffasern enthaltenden Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Matrix verteilten Kohlenstoffasern (2) im Schraubenkern (1) in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde (3) unter einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen.

2. Schraube nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes ist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Schraube nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus Kohlenstoff besteht.

Zur kraftschlüssigen Verbindung von Elementen aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Verbundwerkstoff und zum Verbinden dieser Elemente mit Konstruktionsteilen aus einem anderen Werkstoff sind Schrauben bekannt geworden, die aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Werkstoff bestehen. Man hat derartige Schrauben bisher dadurch hergestellt, dass man zunächst Platten oder Zylinder aus einem die Kohlenstofffasern in einer im wesentlichen unidirektionaler Orientierung enthaltenden Verbundwerkstoff anfertigte und die Schrauben aus diesen Körpern herausarbeitete, wobei die Schraubenlängsachse mit der Richtung der Kohlenstoffasern zusammenfällt. Schrauben mit einer derartigen Faserorientierung weisen beträchtliche Zug- und Biegefestigkeiten auf, da die Scherfestigkeit jedoch verhältnismässig klein ist, brechen besonders Gewinde von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix bereits beim Bearbeiten an der Oberfläche aus und einzelne Gewindegänge werden unter Last leicht abgeschert.

Zur Verbesserung der Scherfestigkeit von Verbundwerkstoffen ist es bekannt, z.B. Platten oder Rohre in gleichmässi-gen, um einen Winkel versetzten Lagen zu wickeln. Aus diesen Körpern herausgearbeitete Schrauben können insbesondere auch im Gewindebereich eine grössere Scherfestigkeit aufweisen, jedoch auf Kosten der Zug- und Biegefestigkeit, deren Minderung im allgemeinen nicht zugelassen werden kann.