CH663758A5

CH663758A5 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstoffes mit hoher zugfestigkeit bestehend aus einer kunststoffmatrix mit einer eingebetteten bewehrung.

Info

Publication number: CH663758A5
Application number: CH307283A
Authority: CH
Inventors: Joachim Dr-Ing Albrecht; Christian Dr Rer Nat Wuethrich
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-06-03
Filing date: 1983-06-03
Publication date: 1988-01-15
Also published as: DE3322598A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung geht aus von einem Herstellungsverfahren für einen Verbundwerkstoff nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Kunststoffe werden sowohl in reiner Form wie mit Füllstoffen und/oder Verstärkungselementen versehen, in der Technik vielfach verwendet. Ihre physikalischen und insbesondere ihre mechanischen Eigenschaften können durch Verstärkungen mit Glas- und Mineralfasern, Kohlefasern usw. wesentlich beein-flusst werden. Wie beim gewöhnlichen, durch Stahleinlagen armierten Beton wird dabei die Belastbarkeit solcher Verbundmaterialien entscheidend durch das erste Auftreten von Rissen in der Kunststoffmatrix begrenzt. Dies hängt im allgemeinen mit dem örtlichen Überschreiten der Zugfestigkeit oder eines ähnlichen Materialkennwertes wie Streckgrenze, Dauerwechselfestigkeit usw. des Werkstoffes zusammen.

Für zahlreiche Verwendungszwecke sind die bisher üblichen Verstärkungsmethoden und die daraus hervorgegangenen Erzeugnisse auf Kunststoffbasis nicht mehr ausreichend. Oft können die sonst ausgezeichneten Eigenschaften der Kunststoffe wegen mangelhafter Festigkeit des Verbunds nicht voll ausgenutzt werden.

Es besteht daher das Bedürfnis nach neuen, mechanisch höher belastbaren Materialien mit guten physikalischen und chemischen Eigenschaften wie hoher elektrischer Widerstand und Korrosionsbeständigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen Verbundwerkstoff auf Kunststoffbasis anzugeben, wobei dank höherer mechanischer Festigkeit, insbesondere Zugfestigkeit die Gefahr der Rissbildung im Betrieb vermieden und die Belastung gegenüber in herkömmlicher Weise verstärkten Kunststoffen heraufgesetzt werden kann. Das Herstellungsverfahren soll einfach sein und keine speziellen, von örtlichen Verhältnissen abhängigen Spannvorrichtungen benötigen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Verbundwerkstoffes in Stab- oder Plattenform mit einachsiger Bewehrung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Verbundwerkstoffes in Plattenform mit zweiachsiger Bewehrung;

Fig. 3 eine Schnitt-Darstellung des Verbundwerkstoffes in Plattenform mit zweiachsiger Bewehrung durch Drahtgeflecht;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Verbundwerkstoffes in Blockform mit dreiachsiger Bewehrung;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Verbundwerkstoffes in Plattenform mit zweiachsiger Bewehrung durch Bleche;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Giessform mit Verbundwerkstoff in Rohrform;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch den Verbundwerkstoff in Rohrform mit Wendelbewehrung.

In Fig. 1 ist der Verbundwerkstoff in Stab- oder Plattenform perspektivisch dargestellt. 2 ist die einachsige vorgespannte Bewehrung in Form von achsparallelen, längsseitig ausgerichteten Drähten aus einer Formgedächtnislegierung. 1 ist die die Bewehrung 2 allseitig umschliessende Kunststoffmatrix.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Verbundwerkstoffes in Plattenform. Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen der Fig. 1. Die Bewehrung 2 besteht hier aus mehreren, in parallelen Ebenen angeordneten sich abwechselnd rechtwinklig kreuzenden Scharen von vorgespannten Drähten.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Verbundwerkstoffes in Plattenform im Schnitt. Die vorgespannte Bewehrung 3 ist hier als Drahtgeflecht ausgebildet, welches in zwei parallelen Schichten in der Kunststoffmatrix 1 eingebettet ist, wobei die beiden Schichten im vorliegenden Fall um je eine halbe Maschenweite in beiden Richtungen gegeneinander versetzt sind.

In Fig. 4 ist der Verbundwerkstoff in Blockform perspektivisch dargestellt. Es handelt sich hier um eine Ausführung mit dreiachsiger, durch Scharen paralleler sich orthogonal kreuzender Drähte gebildeten Bewehrung. Die Bezugszeichen entsprechen der Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Verbundwerkstoffes in Plattenform mit zweiachsiger Bewehrung. Die vorgespannte Bewehrung4,5 ist in Blechform ausgeführt. Die Blechebenen liegen parallel zur Ebene der Platte aus der Kunststoffmatrix 1. Die B ewehrung 4 hat mit ihrer Vorspannung als erste Schicht x-Orientierung, während die Bewehrung 5 als zweite Schicht y-Orientierung aufweist. Beide Orientierungen stehen senkrecht aufeinander. Dabei geben die gestrichelten Pfeile 6 j eweils die Richtung der Zugvorspannung in der Bewehrung 4,5 wieder, welche der Reckrichtung des jeweiligen Bleches entspricht. Die kurzen vollen Pfeile 7 deuten die Richtung der Druckvorspannung in der Kunststoffmatrix 1 an. Letztere ist also in der bewehrten Zone in beiden Richtungen der Plattenebene vorgespannt.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Giessform mit Verbundwerkstoff in Rohrform. 9 stellt den Mantel, 10 den Kern der Giessform für die Kunststoffmatrix 1 dar. Die vorgespannte Bewehrung 8 hat Rohrform und ist koaxial zur Giessform angeordnet.

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In Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch den Verbundwerkstoff in Rohrform dargestellt. 1 ist die Kunststoffmatrix, in welche die vorgespannte Bewehrung 11 in Wendelform eingebettet ist. Im vorliegenden Fall besteht der Wendel aus einer auf einem Innenzylinder aus Kunststoffmatrix 1 aufgewickelten Drahtlage, deren Windungen sich nicht berühren, und welche vom Aussen-zylinder aus Kunststoffmatrix umgössen ist. Der Verbundwerkstoff in Rohrform kann jedoch auch gemäss Fig. 6 als in Kunststoffmatrix 1 eingegossener Wendel mit aufeinanderliegenden Windungen ausgeführt sein.

Ausführungsbeispiel I

Siehe Fig. 1.

Ein als Flachstab ausgebildeter Verbundwerkstoff wurde aus einer Kunststoffmatrix 1 und einer Bewehrung 2 in Drahtform aus einer Formgedächtnislegierung aufgebaut. Letztere hatte folgende Zusammensetzung:

Ni: 45 Gew.-%

Ti: 45 Gew.-%

Cu: 10 Gew.-%

Beginn der Umwandlung in Austenit: As = 50 °C.

Die Drähte hatten einen Durchmesser von 0,5 mm und eine Länge von 100 mm. Sie wurden während 30 min bei 800 °C lösungsgeglüht und anschliessend auf Raumtemperatur abgeschreckt. Die Oxydhaut wurde in einer aus je 1 Teil HCl, HN03 und H20 bestehenden Beize entfernt. Dann wurden die Drähte bei Raumtemperatur in einer Zugvorrichtung um 4%, bezogen auf die ursprüngliche Länge gereckt und als parallele Schar in einer Giessform befestigt, so dass ihr Mittenabstand voneinander und vom Boden der Giessform 1,5 mm betrug. Diese Bewehrung 2 wurde nun von einer Kunststoffmatrix 1 in Form eines Epoxy-harzes in einer Höhe von 3 mm umgössen und bei 40 °C ausgehärtet. Die Glastemperatur der verwendeten Kunststoffmatrix 1 betrug 80 °C. Nach dem Aushärten wurde das Ganze aus der Giessform entfernt und die überstehenden Enden der Drähte der Bewehrung 2 auf das Mass der Kunststoffmatrix 1 bündig abgeschnitten. Nun wurde der Flachstab einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 70 °C unterzogen. Dabei wurde in der Bewehrung2 der Formgedächtniseffekt (Einweg-Effekt) induziert: Die Drähte zogen sich zusammen und wurden auf Zug beansprucht. Sie übten dabei auf die umgebende Kunststoffmatrix 1 eine entsprechende Druckvorspannung aus. Der Verbundwerkstoff wurde nun auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei der Einweg-Effekt erhalten blieb und somit auch die entsprechende Vorspannung.

Ausführungsbeispiel II

Siehe Fig. 3.

Aus der gleichen Formgedächtnislegierung wie in Beispiel I angegeben, wurden Drähte von 0,5 mm hergestellt und in der angegebenen Weise kaltgereckt. Aus den Drähten wurde eine Bewehrung 3 in Form eines Drahtgeflechts mit 2 mm Mittenabstand (1 mm Maschenweite) hergestellt. Zwei derartige Drahtgeflechte (Kreuzgeflecht) mit den Abmessungen 100x 100 mm wurden in einem Mittenstab von 2 mm voneinander und vom Boden parallel in einer Giessform montiert und in eine Kunststoffmatrix 1 gemäss Beispiel I eingegossen. Die weitere Behandlung erfolgte genau nach Beispiel I. Durch die kreuzweise Bewehrung 3 wurde der Verbundwerkstoff zweiachsig vorgespannt, so dass er als Platte praktisch in jeder Richtung seiner Ebene eine erhöhte Zugbeanspruchung ertragen konnte.

Die Verstärkung kann in gleicherweise gemäss Fig. 2 vorgenommen werden.

Ausführungsbeispiel III

Siehe Fig. 4.

Gemäss Beispiel I wurden 0,5 mm dicke Drähte als Bewehrung 2 vorbereitet und in einer prismatischen Giessform derart

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befestigt, dass sie eine dreiachsige Anordnung von orthogonalen, äquidistanten Scharen in allen drei Dimensionen bildeten. Dabei betrug der Mittenabstand zweier benachbarter paralleler Drähte der gleichen Schar sowie derjenige paralleler Scharen untereinander je 3 mm, der Mittenabstand zweier sich orthogonal kreuzender Drähte je 1,5 mm. Das dreidimensionale Gebilde wurde in Epoxyharz als Kunststoffmatrix 1 eingegossen und das Ganze gemäss Beispiel I weiterbehandelt. Dank der Bewehrung 2 wurde die Kunststoffmatrix 1 in allen Richtungen auf Druck vorgespannt, so dass der Verbundwerkstoff praktisch unabhängig von der äusseren Belastungsrichtung eine erhöhte Zugfestigkeit aufwies.

Ausführungsbeispiel IV

Siehe Fig. 5.

Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes in Form einer auf Biegung beanspruchbaren, 50 mm dicken Platte wurden zunächst zwei Bleche aus einer Formgedächtnislegierung gemäss Beispiel I vorbereitet. Die Bleche hatten die Abmessungen 200x200x0,5 mm. Nach der üblichen Vorbehandlung wurden die Bleche parallel zu einer Längskante um je 4% gereckt. Das erste Blech (vorgespannte Bewehrung 4) wurde in einem Abstand von 5 mm vom Boden in einer Giessform derart befestigt, dass die Reckrichtung in die Richtung einer gewählten x-Achse zu liegen kam (1. Schicht: x-Orientierung). Daraufhin wurde das zweite Blech (vorgespannte Bewehrung 5) in einem Abstand von 5 mm um 90° versetzt in Richtung der y-Achse montiert (2. Schicht: y-Orientierung). Die Giessform wurde nun mit der Kunststoffmatrix 1 bis zu einer Höhe von 50 mm aufgefüllt. Alles weitere ergab sich gemäss Behandlungsweise nach Beispiel I. Die Richtungen der Spannungen sind durch Pfeile 6 und 7 angedeutet. Bei der Belastung der Platte auf Biegung wurden die auf der Zugseite wirkenden Spannungen in der Kunststoffmatrix 1 durch Druckvorspannungen abgebaut, so dass die Platte höher beansprucht werden konnte.

Ausführungsbeispiel V

Siehe Fig. 6.

Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes in Rohrform wurde zunächst eine Bewehrung 8 als dünnwandiges Rohr (0,5 mm Wandstärke) aus einer Gedächtnislegierung hergestellt. Der Innendurchmesser des Rohres betrug 15 mm. Nach der üblichen Vorbehandlung gemäss Beispiel I wurde das Rohr über einem Dorn im Durchmesser um 4% aufgeweitet, konzentrisch in eine aus dem Mantel 9 und dem Kern 10 bestehende runde Giessform eingesetzt und mit der Kunststoffmatrix 1 beidseitig umgössen. Nach dem Aushärten der Kunststoffmatrix erfolgte die Wärmebehandlung gemäss Beispiel I. Bei Beanspruchung des Rohres auf Innendruck wurden die in der Kunststoffmatrix 1 auftretenden Ring-Zugspannungen teilweise durch Druckvorspannungen abgebaut und von der Bewehrung 8 aufgenommen. Dadurch konnte das Rohr höhere Innendrücke aushalten, ohne dass radiale Risse auftraten.

Ausführungsbeispiel VI

Siehe Fig. 7.

Der Verbundwerkstoff in Rohrform wurde mit einer vorgespannten Bewehrung 11 in Wendelform ausgeführt. Zunächst wurde ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung gemäss Beispiel I behandelt einschliesslich Kaltrecken um 4%. Nun wurde der Draht auf ein bereits ausgehärtetes Kunststoffrohr mit dem gewünschten Innendurchmesser aufgewickelt und der entstehende Wendel fixiert. Dann wurde das Ganze in einer Giessform mit der aussen zu liegenden Kunststoffmasse umgössen,

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ausgehärtet und warmbehandelt. Die Bewehrung 11 kann auch Wendelform in der Gestalt einer dichten Drahtlage aufweisen, wobei die einzelnen Windungen sich gegenseitig berühren.

In Abweichung dieses Verfahrens kann die Bewehrung 11 auch als freistehender Wendel hergestellt und gemäss Beispiel V allseitig aussen und innen mit Kunststoffmatrix 1 umgössen werden. Alle übrigen Verfahrensschritte bleiben sich gleich.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt. Der Grundgedanke besteht darin, in den auf Zug beanspruchten Teilen der Kunststoffmatrix 1 durch eine in situ mittels einer Wärmebehandlung des Werkstoffs in der Bewehrung 2 erzeugte Vorspannung eine Druckvorspannung zu induzieren, welche die im Betrieb auftretenden Zugspannungen auf ein zulässiges Mass abbaut. Dies geschieht mit Hilfe einer Bewehrung 2, welche aus einem thermoelastischen Material, vorzugsweise aus einer Formgedächtnislegierung des Typs Cu/ Al, Cu/Al/Ni, Cu/Zn, Cu/Zn/Al, (As = 80 bis 150 °C), Ni/Ti oder

Ni/Ti/Cu (As = bis 80 °C) besteht. Bedingungist, dass die charakteristischen Temperaturen sich wie folgt verhalten:

Th<As<TG,

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wobei

Th = Härtetemperatur (Verarbeitungstemperatur) der Kunststoffmatrix 1

Tg = Glastemperatur (Erweichungstemperatur) derKunst-lo stoffmatrix 1

As = Umwandlungstemperatur des thermoelastischen Materials (Beispiel: Bewehrung 2) von der Tief- in die Hochtemperaturphase.

Als Kunststoffmatrix 1 können Epoxy- oder Polyesterharze 15 Verwendung finden. Alle angegebenen B eispiele können auch als Bewehrung 2 einen thermoelastischen Kunststoff in Faser-, Gewebe-, Seil-, Platten- oder Rohrform enthalten.

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3 Blatt Zeichnunger

Claims

663 758 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit hoher Zugfestigkeit, bestehend aus einer Kunststoffmatrix mit einer eingebetteten Bewehrung, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewehrung ein einen Formgedächtniseffekt zeigendes, ther-moelastisches Material eingesetzt wird und dass die in die Kunststoffmatrix eingebettete Bewehrung durch eine den Formgedächtniseffekt auslösende, die Bewehrung unter Zugspannung setzende Wärmebehandlung zur Ausübung einer Druckvorspannung auf die Kunststoffmatrix gezwungen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewehrung ein thermoelastischer Kunststoff hoher Zugfestigkeit eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewehrung eine einen Einweg-Effekt zeigende Formgedächtnislegierung eingesetzt wird, deren Tieftemperaturphase im Bereich der Verarbeitungs- oder Aushärtetemperatur des Kunststoffes liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (2) in Form von mindestens einer Schar unter sich paralleler Drähte oder Bänder in die Kunststoffmatrix eingebettet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (2) in Form von 2 oder 3 sich orthogonal schneidenden Scharen paralleler Drähte eingebettet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (3) in Form von mindestens einem Drahtgeflecht eingebettet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (4,5) in Form von mindestens einem Blech auf einer Seite der Kunststoffmatrix (1) in diese Matrix eingebettet wird, welche Seite für eine Biegebelastung als Zugseite vorgesehen ist.

8. Verfahrennach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewehrung (8,11) in Form von einem Rohr oder einem Wendel allseitig in die Kunststoffmatrix (1) eingebettet wird.