DE102007028373A1 - Fiber composite for use in multiple area of machine and plant construction, aeronautical and aerospace industry and in medical sector and sport device production, comprises reinforcement structure and matrix component - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, die aus einer Verstärkungsstruktur aus Mehrkomponenten-Hybridgarn, die mindestens eine Verstärkungskomponente und mindestens eine eigenschaftsmodifizierende Komponente enthält, und einer Matrixkomponente mit einem vorgegebenen Volumenanteil besteht, wobei sich zwischen Matrixmaterial, Verstärkungsmaterial und eigenschaftsmodifizierendem Material eigenschaftsbestimmende Grenzflächenstrukturen ausbilden und mechanischen Eigenschaften der Kategorie A sowie mechanische Eigenschaften der Kategorie B vorhanden sind.The The invention relates to a fiber composite material and a method for the production of fiber composites consisting of a reinforcing structure multi-component hybrid yarn comprising at least one reinforcing component and contains at least one property-modifying component, and a matrix component having a predetermined volume fraction consists of being between matrix material, reinforcing material and property-modifying material property-defining Form interfacial structures and mechanical properties Category A and Category B mechanical properties available.
Faserverbundwerkstoffe kommen in zahlreichen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus, der Luft- und Raumfahrt, im medizinischen Bereich sowie für die Sportgeräteherstellung zur Anwendung.Composites come in numerous areas of mechanical and plant engineering, the Aerospace, medical and as well sports equipment manufacturing for use.
Die Eigenschaften eines Bauteils aus Faserverbundwerkstoff werden durch die Werkstoffzusammensetzung, durch den geometrischen Aufbau der Verstärkungsstruktur, durch die Art der Verstärkungsfaser – Kurzfaser oder Endlosfaser –, durch die textile Struktur – Vlies, Gewebe, Gestrick usw. –, durch die Prozessparameter während der Konsolidierung sowie durch die Bauteilgeometrie beeinflusst.The Properties of a component made of fiber composite material are by the material composition, by the geometric structure of the reinforcing structure, by the nature of the reinforcing fiber - short fiber or continuous fiber -, through the textile structure - fleece, Fabric, knitted fabric, etc. -, through the process parameters during consolidation as well as component geometry.
Die erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffe gehören zur Gruppe der langfaserverstärkten, endlosfaserverstärkten Kunststoffverbunde, deren Eigenschaftsbeeinflussung durch die Werkstoffzusammensetzung für die beiden Untergruppen Thermoplaste und Duroplaste gleichermaßen nutzbar ist.The Fiber composites of the invention include to the group of long fiber reinforced, endless fiber reinforced Plastic composites, whose property influence by the material composition for the two subgroups thermoplastics and thermosets equally usable.
Die Einstellung der mechanischen Eigenschaften durch die Werkstoffzusammensetzung eines Faserverbundwerkstoffes wird dabei im Wesentlichen durch die Faktoren Verstärkungsmaterial – Werkstoff sowie Faden- und Verstärkungsstruktur –, Matrixmaterial – Werkstoff –, Grenzflächengestaltung zwischen Verstärkungs- und Matrixwerkstoff sowie Faservolumenanteil bestimmt.The Adjustment of the mechanical properties by the material composition a fiber composite material is thereby essentially by the Factors reinforcing material - material as well Thread and reinforcement structure -, matrix material - material -, Interface design between reinforcing and matrix material and fiber volume fraction determined.
Herkömmlich lassen sich die mechanischen Eigenschaften eines Faserverbundwerkstoffs in die beiden Kategorien der Eigenschaften A bei einachsiger Beanspruchung und der Eigenschaften B bei mehrachsiger Beanspruchung einteilen. Dabei gehören zu der Eigenschaftskategorie A hauptsächlich die Zug-, Biege-, Druck- und Schubeigenschaften die bei statischer, quasistatischer oder dynamischer Beanspruchung wirken. Zur Eigenschaftskategorie B gehören die bei Hochgeschwindigkeits- bzw. dynamischen Beanspruchungen wirkenden Eigenschaften, wie die Crash-, Impact- und Schlageigenschaften, von Faserverbundwerkstoffen.conventional can the mechanical properties of a fiber composite material into the two categories of properties A for uniaxial stress and the properties B in multiaxial stress. Here belong to the property category A mainly the tensile, bending, compression and thrust properties of static, act quasi-static or dynamic stress. To the property category B belong to the high-speed and dynamic Stressing properties, such as the crash, impact and impact properties of fiber composites.
Das
Problem bei der gezielten Modifizierung der mechanischen Eigenschaften
eines Faserverbundwerkstoffs aus einer konkreten Verstärkungs- und
Matrixpaarung durch entsprechende Maßnahmen besteht darin,
dass sich die Eigenschaftskategorien A und B nicht unabhängig
voneinander einstellen lassen. Es besteht sogar gemäß dem
Stand der Technik eine große Abhängigkeit zwischen
den Eigenschaften, wie sie in
Bei einer herkömmlichen gezielten Erhöhung der Eigenschaften der Kategorie A verändern sich auch die Eigenschaften der Kategorie B in der Regel in Richtung niedrigwertiger Eigenschaften, da für die bei Crash-, Impact- und Schlagbeanspruchungen angestrebte hohe Energieabsorption andere Wirkmechanismen notwendig sind, z. B. ein sukzessives inter- und intralaminares Verbundversagen. Eine Auslegung der Verbunde in Richtung verbesserter Eigenschaften der Kategorie B, z. B. durch Steigerung des in Richtung der Verbunddicke orientierten Verstärkungsfaseranteils, führt in der Regel zu einer Wertverschlechterung der Eigenschaften der Kategorie A.at a conventional targeted increase in properties Category A also changes the characteristics of Category B tends to be low-end properties, there for those with crash, impact and impact loads aspired high energy absorption other mechanisms of action necessary are, for. As a successive inter- and intralaminar composite failure. An interpretation of the compounds in the direction of improved properties the category B, z. B. by increasing in the direction of the composite thickness oriented reinforcing fiber content, results in usually a deterioration of the properties of the category A.
Eine unabhängige Modifizierung der Eigenschaften eines Grundwerkstoffs durch zusätzliche Stoffe ist momentan nur bei metallischen Werkstoffen bekannt. Bei metallischen Werkstoffen, z. B. Stahl, können durch das gezielte Beimischen von chemischen Elementen in die Schmelze wie Chrom, Nickel, Molybdän usw. die Eigenschaften des Grundwerkstoffs Stahl auf die Anforderungen angepasst und verschiedene Eigenschaften weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden. Eine solche Vorgehensweise ist bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen zurzeit nur über die Modifikation der Matrix möglich, wobei eine unabhängige Einstellung der Eigenschaftskategorien A und B nicht realisiert werden kann.A independent modification of the properties of a base material by additional substances is currently only in metallic Materials known. For metallic materials, eg. As steel, can through the targeted mixing of chemical elements in the melt such as chromium, nickel, molybdenum, etc. the properties of Base material steel adapted to the requirements and different Properties adjusted largely independently become. One such approach is in the manufacture of fiber composites currently only possible via the modification of the matrix, being an independent setting of the property categories A and B can not be realized.
Ein Beimischen von zusätzlichen, die mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B beeinflussenden Materialien unabhängig von der Matrix kann momentan bei Faserverbundwerkstoffen auf verschiedenen Wegen erfolgen, so z. B. auf Flächengebildeebene – Verarbeitung von sich hinsichtlich des Faserverbundwerkstoffs oder der Fadenkonstruktion unterscheidenden Verstärkungsfäden zu einem Verstärkungsflächengebilde – oder auf Preformebene – Verarbeitung von aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Verstärkungsflächengebilden zu einer Textilpreform-.One Addition of additional, mechanical properties the categories A and / or B affecting materials independently of The matrix can currently be used on fiber composite materials at various levels Because of done so z. At sheet plane level - processing by itself with regard to the fiber composite material or the thread construction distinctive reinforcing threads to a reinforcing sheet - or on preform level - processing of different Materials existing reinforcing sheets to a textile preform.
Die mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B herkömmlicher Faserverbundwerkstoffe werden im Wesentlichen durch die Ausgangsmaterialien beeinflusst, durch die Verstärkungsstruktur, die durch den Werkstoff und die Anordnung gegeben ist, und die Matrix, durch die Grenzschicht zwischen den beiden Materialien sowie durch den Faser- bzw. den Matrixvolumenanteil. Meist erfolgt die Integration zusätzlicher Komponenten für eine Beeinflussung der Werkstoffeigenschaften durch die Verwendung separater Fäden auf Flächengebildeebene oder separater Verstärkungshalbzeuge auf Preformebene aus einem anderen Werkstoff in die aus einem Verstärkungsmaterial, z. B. Glas, Aramid oder Karbon, bestehende Verstärkungsstruktur.The mechanical properties of categories A and / or B of conventional fiber composites are substantially affected by the starting materials, the reinforcing structure provided by the material and the assembly, and the matrix through which Boundary layer between the two materials and by the fiber or the matrix volume fraction. In most cases, the integration of additional components for influencing the material properties by the use of separate threads on fabric level or separate semi-finished reinforcement on preform level of another material in the made of a reinforcing material, eg. As glass, aramid or carbon, existing reinforcing structure.
Für
die Erzeugung hoher mechanischer Verbundeigenschaften ist während
der Verbundherstellung bei der Verwendung von thermoplastischen
Matrices, aufgrund der in der Regel hohen Viskosität der Schmelze,
eine homogene Verteilung der Verstärkungs- und der Matrixkomponente
eine unabdingbare Voraussetzung. Diese homogene Verteilung muss bereits
in der Verstärkungsstruktur erfolgen, z. B. im Faden, im
Faserband oder im Faservlies bzw. in der Fasermatte. Die Möglichkeit
zur Erzielung einer homogenen Verteilung von einer Verstärkungs-
und einer Matrixkomponente im Faden ist in einigen so genannten
Hybridgarnen in den Druckschriften
Bei
dem in der Druckschrift
Auch
die in der Druckschrift
Ein
Verfahren zur Herstellung von Dreikomponentengarnen ist in der Druckschrift
von
Während
die strichdurchgängigen Kurvenverläufe in
Die Probleme der bekannten Lösung bestehen darin, dass die Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften thermo- und duroplastischer Faserverbundwerkstoffe über die Integration separater Fäden bzw. separater Flächengebilde aus einem anderen Werkstoff im Verbund aufgrund der inhomogenen Komponentenverteilung über die Fläche und/oder über die Dicke zu lokalen Inhomogenitäten oder zu einer schlechten Verbundqualität, z. B. zu Lunkern oder zu ungünstigen Matrixverteilungen führt, die sich negativ auf die mechanischen Verbundeigenschaften und das Schädigungsverhalten der Verbunde auswirken können. Sowohl über das Grenzschichtdesign sowie über den Verstärkungsfaseranteil im Verbund lassen sich die statischen und die dynamischen Eigenschaften zwar modifizieren, die resultierenden Veränderungen gehen aber überwiegend in die gleiche Richtung und führen entweder zu einer Erhöhung oder aber zu einer Reduzierung der statischen und der dynamischen mechanischen Eigenschaften.The Problems of the known solution are that the Influencing the mechanical properties of thermosetting and thermosetting plastics Fiber composites via the integration of separate threads or separate fabrics of a different material in the composite due to the inhomogeneous component distribution over the area and / or the thickness to local Inhomogeneities or poor composite quality, z. B. to voids or unfavorable matrix distributions which negatively affects the mechanical bond properties and the damage behavior of the composites. Both over the boundary layer design as well as over the reinforcing fiber content in the composite can be the while modifying static and dynamic properties, but the resulting changes are overwhelming in the same direction and either lead to an increase or to a reduction of the static and the dynamic mechanical properties.
Es
ist ein Verfahren zur Luftblastexturierung oder Luftverwirbelung
von Filamentgarnen in der Druckschrift
Eine
Vorrichtung zum Herstellen eines strangartigen Faserverbundes – in
Form eines Hybridgarns – aus Glasfasern und mindestens
einem Zusatzmaterial ist in der Druckschrift
Das Problem besteht hierbei, dass der Faserverbund immer aus dem Verstärkungsmaterial Glas besteht und dass das Herstellungsverfahren unabhängig von dem des Luftblastexturierens oder des Luftverwirbelns arbeitet.The The problem here is that the fiber composite always made of the reinforcing material glass exists and that the manufacturing process is independent of that of air-blowing texturing or air-swirling works.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Faserverbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass der Faserverbundwerkstoff mit über einen breiten Bereich sowie fein abgestuft einstellbaren, hohen mechanischen Eigenschaften und mit einem weitgehend unabhängigen einstellbaren Versagungsverhalten des Werkstoffs bei Crash-, Impact- und Schlagbeanspruchungen versehen ist, wobei der Faserverbundwerkstoff eine homogene Verteilung der Verbundkomponenten Verstärkungs- und eigenschaftsmodifizierende Komponente auf Faserebene sowie keine, durch den Einsatz von Verstärkungsfäden und/oder Verstärkungsflächengebilden bedingte, strukturellen Inhomogenitäten aufweisen soll.Of the Invention is based on the object, a fiber composite material and to provide a method for the production of fiber composites, which are designed so suitable that the fiber composite material with over a wide range as well as finely graduated adjustable, high mechanical properties and with a largely independent adjustable failure behavior of the material in crash, impact and impact loads, wherein the fiber composite material a homogeneous distribution of the composite components reinforcing and property-modifying component at the fiber level and none, through the use of reinforcing threads and / or Reinforcing sheet forming, structural Inhomogeneities should have.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 16 gelöst. Der Faserverbundwerkstoff besteht aus
- – einer Verstärkungsstruktur aus Mehrkomponenten-Hybridgarn, die mindestens eine Verstärkungskomponente und mindestens eine eigenschaftsmodifizierende Komponente enthält, und
- – einer Matrixkomponente mit einem vorgegebenen Volumenanteil, wobei sich zwischen Matrixmaterial, Verstärkungsmaterial und eigenschaftsmodifizierendem Material eigenschaftsbestimmende Grenzflächenstrukturen ausbilden und mechanische Eigenschaften der Kategorie A sowie mechanische Eigenschaften der Kategorie B vorhanden sind,
- A multi-component hybrid yarn reinforcing structure containing at least one reinforcing component and at least one property-modifying component, and
- A matrix component with a predetermined volume fraction, wherein property-determining interface structures form between the matrix material, reinforcing material and property-modifying material and mechanical properties of category A and mechanical properties of category B are present,
Die die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende Komponente, die Verstärkungskomponente und ggf. die Matrixkomponente in Form eines Mehrkomponenten-Hybridgarns sind homogen über die Fläche und Dichte der Struktur des Verstärkungsmaterials verteilt, wobei die Verteilung durch den Garn-Herstellungsprozess herbeigeführt ist.The the properties of categories A and / or B modifying component, the gain component and optionally the matrix component in the form of a multi-component hybrid yarn are homogeneous over the area and density of the structure of the reinforcing material distributed, the distribution through the yarn manufacturing process brought about.
Der Faserverbundwerkstoff besitzt eine aus einem textilen Flächengebilde bestehende oder eine durch die Ablage einzelner Garne durch Wickeln oder Tape erzeugte Verstärkungsstruktur, wobei die Verstärkungsstruktur teilweise oder vollständig aus Mehrkomponenten-Hybridgarnen aufgebaut ist, die unter Einsatz der Luftblastexturier- oder Luftverwirbelungstechnik aus luftverwirbelten oder commingelten Filamentgarne hergestellt sind.Of the Fiber composite material has one of a textile fabric existing or one by filing individual yarns by winding or tape produced reinforcing structure, wherein the reinforcing structure partially or completely from multi-component hybrid yarns constructed using the airblast texturing or air swirling technique made of air-twisted or commingled filament yarns are.
Die homogene Verteilung ist über den Fadenquerschnitt in aus mindestens einer Verstärkungskomponente bestehenden Verstärkungsfäden, die über die textile Flächenbildung und/oder Preformherstellung zu duroplastischen, z. B. durch Harzinjektion und chemisch Aushärtung, oder zu thermoplastischen, z. B. durch Filmstacking oder Pulverbeschichtung mit anschließendem Thermopressprozess, Verbunden weiterverarbeitet sind, vorgesehen.The homogeneous distribution is over the thread cross section in out At least one reinforcing component existing reinforcing threads, the over textile surface formation and / or preform production to thermosetting, z. B. by resin injection and chemical curing, or to thermoplastic, for. B. by film stacking or powder coating followed by thermopressing process, connected further processed are provided.
Der duroplastische Verbund kann aus einer Verstärkungsstruktur bestehen, die ausschließlich aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten- Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen.Of the Thermosetting composite may consist of a reinforcing structure consist exclusively of air-textured or air-mixed multicomponent hybrid yarns with at least two Materials is constructed, wherein the hybrid yarns of a reinforcing material and at least one of the properties of categories A and / or B modifying, fibrous or filamentary material consist.
Der duroplastische Verbund kann auch aus einer Verstärkungsstruktur bestehen, die zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden partiell aus lufttexturierten oder luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen.Of the Thermosetting composite can also be made of a reinforcing structure exist in addition to the original ones Reinforcement threads partially from air-textured or air-twisted multi-component hybrid yarns with at least two materials is constructed, wherein the hybrid yarns from a Reinforcing material and at least one of the properties the categories A and / or B modifying, fibrous or filamentous Material exist.
Der thermoplastische Verbund kann aus einer Verstärkungsstruktur bestehen, die ausschließlich aus lufttexturierten oder luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen und der Faserverbundwerkstoff durch die separate Zuführung der Matrix durch Folien, Schmelze, Pulver oder reaktionsfähige Thermoplaste hergestellt wird.The thermoplastic composite can from egg consist of a reinforcement material and at least one modifying the properties of the categories A and / or B, fiber or filament-like material and the fiber composite material consist of reinforcing structure, which is composed exclusively of air-textured or air-fluidized multicomponent hybrid yarns with at least two materials is produced by the separate supply of the matrix by films, melt, powder or reactive thermoplastics.
Der thermoplastische Verbund kann auch aus einer Verstärkungsstruktur bestehen, die zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden partiell aus lufttexturierten oder luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen und der Faserverbundwerkstoff durch die separate Zuführung der Matrix durch Folien, Schmelze, Pulver oder reaktionsfähige Thermoplaste hergestellt wird.Of the Thermoplastic composite can also be made of a reinforcing structure exist in addition to the original ones Reinforcement threads partially from air-textured or air-twisted multi-component hybrid yarns with at least two materials is constructed, wherein the hybrid yarns of a reinforcing material and at least one of the properties of categories A and / or B modifying, fibrous or filamentary material exist and the fiber composite material through the separate feed the matrix by films, melt, powder or reactive Thermoplastics is produced.
Der thermoplastische Verbund kann schließlich auch aus einer Verstärkungsstruktur bestehen, die ausschließlich aus lufttexturierten oder luftverwirbelten Mehrkompo nenten-Hybridgarnen mit mindestens drei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial, mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material und dem Matrixmaterial bestehen.Of the Finally, thermoplastic composite can also be made from one Reinforcing structure composed exclusively from air-textured or air-entangled multi-component hybrid yarns constructed with at least three materials, the hybrid yarns from a reinforcing material, at least one of the properties the categories A and / or B modifying, fibrous or filamentous Material and the matrix material.
Der thermoplastische Verbund kann aus einer Verstärkungsstruktur bestehen, die zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden, bestehend aus mindestens zwei Komponenten – Verstärkungs- und Matrixkomponente –, partiell aus lufttexturierten oder luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens drei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial, mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material und dem Matrixmaterial bestehen.Of the thermoplastic composite may consist of a reinforcing structure exist in addition to the original ones Reinforcing threads consisting of at least two Components - gain and matrix component -, partially made of air-textured or air-twisted multicomponent hybrid yarns constructed with at least three materials, the hybrid yarns from a reinforcing material, at least one of the properties the categories A and / or B modifying, fibrous or filamentous Material and the matrix material.
In dem Faserverbundwerkstoff kann ein Anteil von dem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende, faser- oder filamentförmige Material zu den im definierten Verhältnis zueinander vorliegenden Verstärkungs- und Matrixmaterialien in einem Bereich bis zu ca. 10,0 Vol.-% vorhanden sein.In The fiber composite material can be a proportion of which the properties the categories A and / or B modifying, fiber or filamentous Material to the present in the defined ratio to each other Reinforcement and matrix materials in one area up to be present at about 10.0 vol .-%.
Als verarbeitbare Verstärkungsmaterialien können Glas, Carbon, Basalt, Aramid, Keramik vorgesehen sein.When Processible reinforcing materials can be glass, Carbon, basalt, aramid, ceramic be provided.
Als thermoplastische Matrixmaterialien können Polypropylen, Polyester, Polyamid, Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid vorgesehen sein.When thermoplastic matrix materials can be polypropylene, Polyester, polyamide, polyetheretherketone or polyphenylene sulfide be provided.
Als duroplastisches Matrixmaterial können duromere Harzsysteme, z. B. Epoxidharz, Phenolharz oder Polyesterharz vorgesehen sein.When thermosetting matrix material can be thermosetting resin systems, z. As epoxy resin, phenolic resin or polyester resin may be provided.
Als Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende, faser- oder filamentförmige Materialien können wahlweise und gesteuert volumenanteilig
- – thermoplastische Chemiefasern, z. B. Polypropylensulfid, hochfestes Polyester, Polyamid, hochfestes Polyethylen oder PEEK,
- – unschmelzbare Chemiefasern, z. B. Aramid, Viskose oder CF,
- – anorganische Chemiefasern – Keramik, z. B. SiBNC, oder
- – Metallfasern zugegeben sein.
- - thermoplastic fibers, z. As polypropylene, high strength polyester, polyamide, high-strength polyethylene or PEEK,
- - infusible chemical fibers, z. Aramid, viscose or CF,
- - inorganic chemical fibers - ceramics, z. SiBNC, or
- - Metal fibers added.
Das Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen weist folgende Schritte auf:
- – Erzeugung einer Verstärkungsstruktur aus Mehrkomponenten-Hybridgarn, die mindestens eine Verstärkungskomponente und mindestens eine eigenschaftsmodifizierenden Komponente enthalten, und
- – Einbringen einer Matrixkomponente mit einem vorgegebenen Volumenanteil, wobei sich zwischen Matrixmaterial, Verstärkungsmaterial und eigenschaftsmodifizierendem Material eigenschaftsbestimmende Grenzflächenstrukturen ausbilden und mechanische Eigenschaften der Kategorie A sowie mechanische Eigenschaften der Kategorie B entstehen,
- – Hinzufügen mindestens einer faser- oder filamentförmigen, die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B exklusiv in ihrer Intensität modifizierenden Komponente zur Verstärkungskomponente oder zur Verstärkungskomponente und Matrixkomponente während der Erzeugung der Verstärkungsstruktur, wobei als mechanische Eigenschaften der Kategorie A Zug-, Biege-, Druck- und Schubeigenschaften, die in der Regel in statischen Prüfungen ermittelt werden, und als mechanische Eigenschaften der Kategorie B dynamische Eigenschaften, wie Crash-, Impact- und Schlageigenschaften, denen eine mehrachsige Beanspruchung zugrunde liegt, festgelegt werden, und
- – Gewährleistung einer homogenen Verteilung aller Komponenten über die Fläche der Verstärkungsstruktur und die Dicke des Verbunds.
- - Producing a reinforcing structure of multi-component hybrid yarn containing at least one reinforcing component and at least one property-modifying component, and
- Introducing a matrix component having a predetermined volume fraction, wherein property-defining interface structures are formed between matrix material, reinforcing material and property-modifying material and mechanical properties of category A and mechanical properties of category B arise,
- Adding at least one fibrous or filamentary component, the properties of categories A and / or B, exclusively in intensity-modifying component to the reinforcing component or reinforcing component and matrix component during the production of the reinforcing structure, using as mechanical properties of category A tensile, flexural, Compressive and thrust characteristics, which are usually determined in static tests, and are defined as mechanical properties of category B, dynamic properties, such as crash, impact and impact properties, which underlie multiaxial stress, and
- Ensuring a homogeneous distribution of all components across the area of the reinforcing structure and the thickness of the composite.
Durch eine gezielt platzierte Integration des Mehrkomponenten-Hybridgarns werden in einer durch ein textiles Flächengebilde aufgebauten Verstärkungsstruktur zusätz lich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden systematisch lokale Eigenschaftsänderungen oder Inhomogenitäten für eine anforderungsgerechte Bauteilauslegung durch eine entsprechende partiell eingebrachte Werkstoffkombination eingebracht.Through a targeted integration of the Multi-component hybrid yarn are introduced in a structure constructed by a fabric reinforcing structure additional Lich to the original reinforcing threads systematically local property changes or inhomogeneities for a requirement-based component design by a corresponding partially introduced material combination.
Die Modifizierung der mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B wird über die Werkstoffzusammensetzung im Faden auf Faserebene durch die Integration eines zusätzlichen, die mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- oder filamentförmigen Materials mit homogener Verteilung über den Fadenquerschnitt in aus mindestens einem Verstärkungsmaterial bestehenden Verstärkungsfäden, die über die textile Flächenbildung und/oder Preformherstellung zu duroplastischen, z. B. durch Harzinjektion und chemisch Aushärtung, oder zu thermoplastischen, z. B. durch Filmstacking oder Pulverbeschichtung mit anschließendem Thermopressprozess, Verbunden weiterverarbeitet sind, durchgeführt.The Modification of the mechanical properties of categories A and / or B is about the material composition in the thread at the fiber level through the integration of an additional, the mechanical Properties of categories A and / or B modifying, fibrous or filamentous material with homogeneous distribution over the thread cross section in at least one reinforcing material existing reinforcing threads that over textile surface formation and / or preform production to thermosetting, z. B. by resin injection and chemical curing, or to thermoplastic, for. B. by film stacking or powder coating followed by thermopressing process, connected further processed are done.
Für die Erzeugung der vorgegebenen mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B des Verbundes mit duroplastischer Matrix werden lufttexturierte oder luftverwirbelte Hybridgarne mit mindestens zwei Komponenten vollständig für die Fertigung der Verstärkungsstruktur oder als zusätzliche Komponente zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden eingesetzt, wobei die Hybridgarne aus einer Verstärkungskomponente und einer eigenschaftsmodifizierenden faser- bzw. filamentförmigen Komponente bestehen.For the generation of the predetermined mechanical properties of the categories A and / or B of the thermosetting matrix are air-textured or air-entangled hybrid yarns having at least two components completely for the production of the reinforcement structure or as an additional component to the original Reinforcing threads used, wherein the hybrid yarns a reinforcing component and a property modifying one consist fiber or filament-shaped component.
Bei der Erzeugung eines Verbunds mit thermoplastischer Matrix über Verfahren, bei denen eine Matrixeinbringung über Folie, Schmelze, Pulver, reaktionsfähige Thermoplaste erfolgt, werden für die Erzeugung der vorgegebenen mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B lufttexturierte oder luftverwirbelte Hybridgarne mit mindestens zwei Komponenten vollständig für die Fertigung der Verstärkungsstruktur oder als zusätzliche Komponente zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden eingesetzt, wobei die Hybridgarne aus einer Verstärkungskomponente und einer eigenschaftsmodifizierenden faser- bzw. filamentförmigen Komponente bestehen.at the production of a thermoplastic matrix composite Method in which a matrix introduction via film, Melt, powder, reactive thermoplastics, be used for generating the given mechanical Properties of categories A and / or B air-textured or air-swirled Hybrid yarns with at least two components completely for the manufacture of the reinforcement structure or as an additional component to the original Reinforcing threads used, wherein the hybrid yarns a reinforcing component and a property-modifying fiber or filament-shaped component.
Bei der Erzeugung des Verbunds mit thermoplastischer Matrix, bei denen die Matrixeinbringung über das Garn erfolgt, werden für die Erzeugung der vorgegebenen mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B lufttexturierte oder luftverwirbelte Hybridgarne mit mindestens drei Komponenten vollständig für die Fertigung der Verstärkungsstruktur oder als zusätzliche Komponente zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden eingesetzt, wobei die Hybridgarne aus einer Verstärkungskomponente, einer eigenschaftsmodifizierenden faser- bzw. filamentförmigen Komponente und einer Matrixkomponente bestehen.at the production of the composite with thermoplastic matrix, in which the matrix introduction over the yarn is done for the generation of the predetermined mechanical properties of the categories A and / or B air-textured or air-entangled hybrid yarns with at least three components completely for the Fabrication of the reinforcement structure or as additional Component to the original reinforcing threads used, wherein the hybrid yarns of a reinforcing component, a property-modifying fibrous or filamentous Component and a matrix component.
Die Einstellung der Verbundeigenschaften erfolgt somit durch die Integration zusätzlicher faser- oder filamentförmiger, eigenschaftsmodifizierender Werkstoffe in einem geringen Anteil zu den Grundwerkstoffen: Verstärkungskomponente oder Verstärkungskomponente und Matrixkomponente in den Faserverbundwerkstoff. Für die Sicherstellung einer homogenen Komponentenverteilung über die Fläche der Verstärkungsstruktur und die Dicke des Faserverbundwerkstoffs ist dieser aus Mehrkomponenten-Hybridgarnen hergestellt, die in ihrer Hybridgarnstruktur die Komponenten Verstärkungskomponente plus eigenschaftsmodifizierende Komponente oder Verstärkungskomponente plus eigenschaftsmodifizierende Komponente plus Matrixkomponente enthalten.The Setting of the composite properties is thus done by the integration additional fibrous or filamentous, property modifying materials in a small proportion to the base materials: reinforcing component or gain component and matrix component in the Fiber composite material. For ensuring a homogeneous Component distribution over the surface of the reinforcement structure and the thickness of the fiber composite is that of multi-component hybrid yarns in their hybrid yarn structure, the components reinforcing component plus property-modifying component or reinforcing component plus property modifying component plus matrix component contain.
Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff besitzt eine aus einem textilen Flächengebilde bestehende Verstärkungsstruktur, z. B. Gewebe, Geflechte, Gewirke, Gestricke oder Gesticke. Das textile Flächengebilde wiederum ist teilweise oder vollständig aus Mehrkomponenten-Hybridgarnen, die in ihrer Hybridgarnstruktur die Komponenten Verstärkungskomponente plus eigenschaftsmodifizierende Komponente oder Verstärkungskomponente plus eigenschaftsmodifizierende Komponente plus Matrixkomponente enthalten, aufgebaut, die unter Einsatz der Luftblastexturier- oder der Luftverwirblungstechnik als luftverwirbelte bzw. commingelte Filamentgarne hergestellt sind. Für die homogene Verteilung der eigenschaftsmodifizierenden Komponente über die Fläche der Verstärkungsstruktur und die Dicke des Faserverbund- Werkstoffs muss das textile Flächengebilde vollständig aus dem Mehrkomponenten-Hybridgarn aufgebaut sein. Des Weiteren können durch die gezielt platzierte Integration das Mehrkomponenten-Hybridgarn in ein textiles Flächengebilde zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden systematisch lokale Eigenschaftsänderungen bzw. Inhomogenitäten im Faserverbundwerkstoff für eine anforderungsgerechte Bauteilauslegung durch eine entsprechende partiell eingebrachte Werkstoffkombination erzeugt werden.Of the has fiber composite material according to the invention a reinforcing structure consisting of a textile fabric, z. As fabrics, braids, knitted fabrics, knits or embroidery. The textile fabric again, is partially or completely composed of multi-component hybrid yarns, in their hybrid yarn structure, the components reinforcing component plus property modifying component or reinforcing component plus property modifying component plus matrix component built up using airblast texturizing or the Luftverwirblungstechnik as air-swirled or commingelte Filament yarns are made. For the homogeneous distribution the property-modifying component over the area the reinforcing structure and the thickness of the fiber composite material The textile fabric has to be completely finished be constructed the multi-component hybrid yarn. Furthermore you can through the targeted integration of the multi-component hybrid yarn in a textile fabric in addition to the original reinforcing threads systematically local property changes or inhomogeneities in the fiber composite material for a requirement-appropriate Component design by a corresponding partially introduced Material combination are generated.
Die Eigenschaftsbeeinflussung erfolgt hier analog wie bei der duroplastischen Matrix durch die Integration einer zusätzlichen eigenschaftsmodifizierenden Komponente mit geringem Anteil in das Hybridgarn. So wird z. B. durch die Zugabe von einem Anteil von 3,5 bis 5,0 Vol.-% an Polyphenylensulfid-Filamentgarn zu weiter im gleichen Verhältnis zueinander vorliegenden Glasfilament- und PP-Filamentgarnen die Schlagzähigkeit der Verbunde um ca. 14% erhöht ohne die mechanischen Eigenschaften der Kategorie A wesentlich zu verändern.The property influencing takes place analogously here as in the duroplastic matrix by the integration of an additional property-modifying component with a low proportion into the hybrid yarn. So z. B. by the addition of a proportion of 3.5 to 5.0 vol .-% of polyphenylene sulfide filament yarn to further in the same ratio to each other glass filament and PP filament yarns, the impact strength of the composites increased by about 14% without the mechanical own sheep significantly change category A's.
Erst durch die Herstellung von lufttexturierten oder luftverwirbelten Hybridgarnen mit variabler einstellbarer Fadenfeinheit und variabel einstellbarem Mischungsverhältnis aus mehreren Komponenten ist eine homogene Verteilung zusätzlicher eigenschaftsmodifizierender Komponenten im Faserverbundwerkstoff möglich. Des Weiteren ist es durch die in Fadenform vorliegenden Hybridgarne möglich, diese mit einer geeigneten Anordnung in die textile Verstärkungsstruktur zu integrieren oder auf diese zu applizieren, um damit z. B. lokale Eigenschaftsveränderungen im Faserverbundwerkstoff zu erzeugen.First through the production of air-textured or air-swirled Hybrid yarns with variable adjustable yarn counts and variable adjustable mixing ratio of several components is a homogeneous distribution of additional property-modifying ones Components in the fiber composite material possible. Furthermore is it possible by the hybrid yarns present in thread form, this with a suitable arrangement in the textile reinforcing structure to integrate or apply to these, so as to B. local To produce property changes in the fiber composite material.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass erstmals duroplastische und thermoplastische Faserverbundwerkstoffe in einem automatisierten Fertigungsprozess herstellbar sind, die hinsichtlich ihres Crash-, Impact- und Schlagverhaltens (z. B. Splitterneigung und Eigenabsorption) optimal eingestellt werden können, ohne dass dies einen wesentlichen Einfluss auf die Realisierung hoher statischer und dynamischer Steifig keiten und Festigkeiten hat und ohne dass der Verbund werkstoffbedingte lokale Eigenschaftsinhomogenitäten oder -unterschiede aufweist.The Invention opens the possibility that for the first time thermoset and thermoplastic fiber composites in one automated manufacturing process can be produced in terms of their crash, impact and impact behavior (eg splinter inclination and self-absorption) can be optimally adjusted, without this having a significant impact on the realization high static and dynamic stiffness and strength and without the composite having material-related local property inhomogeneities or differences.
Die Erfindung ermöglicht es auch, dass die mechanischen Steifigkeiten und Festigkeiten von Faserverbundwerkstoffen weitgehend unabhängig von deren Crash-, Impact- und Schlageigenschaften gezielt auf die anwendungsbedingten Anforderungen eingestellt werden können. Durch die Vermeidung struktureller Inhomogenitäten infolge der homogenen Verteilung der einzelnen Komponenten werden unbeabsichtigte lokale Festigkeits- und Steifigkeitsunterschiede und damit lokale Schwachstellen der Verbunde ausgeschlossen. Aufgrund dieser Tatsachen kommt es bei Anwendung der Erfindung zu einer wesentlichen Erweiterung des Eigenschaftsspektrums duroplastischer und thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe, zu einem deutlich erhöhten Leistungs-Masse-Verhältnis der Verbunde sowie zur Einsparung von Ausgangsmaterialien bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen.The Invention also allows the mechanical stiffnesses and strength of fiber composites largely independent of their crash, impact and impact properties targeted to the application-related requirements can be set. By avoiding structural inhomogeneities due to the homogeneous distribution of the individual components become unintentional local strength and stiffness differences and thus local Weaknesses of the composites excluded. Because of these facts comes it upon application of the invention to a significant extension the property spectrum of thermoset and thermoplastic Fiber composites, at a significantly increased power-to-mass ratio the composites as well as the saving of raw materials in the Production of fiber composites.
Dabei können:
- – verarbeitbare Verstärkungsmaterialien: Glas, Carbon, Basalt, Aramid, Keramik
- – thermoplastische Matrixmaterialien: Polypropylen, Polyester, Polyamid, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfid,
- – duroplastische Matrixmaterialien: duromere Harzsysteme, z. B. Epoxidharz, Phenolharz, Polyesterharz
- - workable reinforcing materials: glass, carbon, basalt, aramid, ceramic
- Thermoplastic matrix materials: polypropylene, polyester, polyamide, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide,
- Thermosetting matrix materials: thermosetting resin systems, eg. As epoxy resin, phenolic resin, polyester resin
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert:The Invention is based on embodiments by means of several drawings explained:
Es zeigen:It demonstrate:
Der Faserverbundwerkstoff besteht aus
- – einer
in
1a ,1b dargestellten Verstärkungsstruktur4 ,5 aus einem in1c dargestellten Mehrkomponenten-Hybridgarn1 , die mindestens eine Verstärkungskomponente2 und mindestens eine eigenschaftsmodifizierende Komponente3 enthält, und - – einer Matrixkomponente
6 mit einem vorgegebenen Volumenanteil,
- - one in
1a .1b illustrated reinforcing structure4 .5 from one in1c shown multi-component hybrid yarn1 containing at least one reinforcing component2 and at least one property modifying component3 contains, and - - a matrix component
6 with a predetermined volume fraction,
Erfindungsgemäß ist
zur Verstärkungskomponente
Die
Möglichkeit, einem Faserverbundwerkstoff als Ganzes durch
das Beimischen und die homogene Verteilung zusätzlicher
Werkstoffkomponenten die Eigenschaften der beiden Eigenschaftskategorien
A und B unabhängig voneinander zu beeinflussen und so ein
neues Eigenschaftsspektrum des Faserverbundwerkstoffs einzustellen,
ist in
In
In
Dabei
wird durch eine Volumenanteilserhöhung von Aramid (9,5
bis 10,7%) oder durch eine Volumenanteilsverringerung Polyphenylensulfid
(4,8 bis 3,8%) als eigenschaftsmodifizierende Komponenten bei etwa
jeweils gleich bleibender Biegefestigkeit als Eigenschaft der Kategorie
A eine deutliche Veränderung der Schlagzähigkeit
als Eigenschaft der Kategorie B erreicht. Dabei wird durch die Konstanz
der einen Eigenschaft der Kategorie A nur die Eigenschaft der Kategorie
B modifiziert, so dass eine unabhängige Beeinflussung der
Eigenschaften der Kategorien A und B angege ben werden kann. Mit
den beiden Geraden in
In dem Faserverbundwerkstoff ist das hinzugefügte, die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende Material über die Herstellungsbedingungen gesteuert hinsichtlich Anteil und Anordnung integriert.In the fiber composite is the added properties categories A and / or B modifying material the manufacturing conditions controlled in terms of proportion and arrangement integrated.
Das die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende Material, das Verstärkungsmaterial und ggf. das Matrixmaterial in Form eines Mehrkomponenten-Hybridgarns sind homogen über die Fläche und Dichte der Struktur des Verstärkungsmaterials verteilt, wobei die Verteilung durch den Herstellungsprozess herbeigeführt ist.The the properties of categories A and / or B modifying material, the reinforcing material and optionally the matrix material in Form of a multi-component hybrid yarn are homogeneous over the area and density of the structure of the reinforcing material distributed, the distribution brought about by the manufacturing process is.
Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff besitzt eine aus einem textilen Flächengebilde bestehende Verstärkungsstruktur oder ist durch die Ablage einzelner Garne durch Wickeln oder Tape legen zu einer Verstärkungsstruktur aufgebaut, wobei die Verstärkungsstruktur teilweise oder vollständig aus Mehrkomponenten-Hybridgarnen aufgebaut ist, die unter Einsatz der Luftblastexturier- oder Luftverwirblungstechnik aus luftverwirbelten oder commingelten Filamentgarnen hergestellt sind.Of the has fiber composite material according to the invention a reinforcing structure made of a textile fabric or is by storing individual yarns by wrapping or tape set to a reinforcing structure, wherein the Reinforcement structure partially or completely Multi-component hybrid yarns is constructed using the Airblast texturing or air whirling technique from air-entangled or commingled filament yarns are made.
Durch eine gezielt platzierte Integration des Mehrkomponenten-Hybridgarns in die Verstärkungsstruktur sind zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden systematisch lokale Eigenschaftsänderungen oder Inhomogenitäten für eine anforderungsgerechte Bauteilauslegung durch eine entsprechend partiell eingebrachte Werkstoffkombination vorgesehen.By a targeted placement of the multi-component hybrid yarn in the reinforcing structure are in addition to the original reinforcing threads systematically local property changes or inhomogeneities for a requirement-oriented component design by a provided in accordance partially introduced material combination.
Im Folgenden werden Aufbauvarianten des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffs in Abhängigkeit von der Matrix angegeben:
- 1. Ein duroplastischer Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Verstärkungs struktur die ausschließlich aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen.
- 2. Ein duroplastischer Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Verstärkungsstruktur die zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden partiell aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen.
- 3. Ein thermoplastischer Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Verstärkungsstruktur die ausschließlich aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen und der Faserverbundwerkstoff durch die separate Zuführung der Matrix durch Folien, Schmelze, Pulver oder reaktionsfähige Thermoplaste hergestellt wird.
- 4. Ein thermoplastischer Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Verstärkungsstruktur die zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden partiell aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens zwei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial und mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material bestehen und der Faserverbundwerkstoff durch die separate Zuführung der Matrix durch Folien, Schmelze, Pulver oder reaktionsfähige Thermoplaste hergestellt wird.
- 5. Ein thermoplastischer Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Verstärkungsstruktur die ausschließlich aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens drei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgarne aus einem Verstärkungsmaterial, mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material und dem Matrixmaterial bestehen.
- 6. Ein thermoplastischer Faserverbundwerkstoff besteht aus einer Verstärkungsstruktur die zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden, bestehend aus mindestens zwei Komponenten (Verstärkungs- und Matrixkomponente), partiell aus lufttexturierten bzw. luftverwirbelten Mehrkomponenten-Hybridgarnen mit mindestens drei Materialien aufgebaut ist, wobei die Hybridgare aus einem Verstärkungsmaterial, mindestens einem die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- bzw. filamentförmigen Material und dem Matrixmaterial bestehen.
- 1. A thermosetting fiber composite material consists of a reinforcing structure which is composed exclusively of air-textured or air-twisted multi-component hybrid yarns with at least two materials, the hybrid yarns of a reinforcing material and at least one of the properties of categories A and / or B modifizierenden, fiber or Filament-shaped material.
- 2. A thermoset fiber composite material consists of a reinforcing structure which, in addition to the original reinforcing yarns, is partially constructed of air-textured multicomponent hybrid yarns having at least two materials, the hybrid yarns being of a reinforcing material and modifying at least one of the A and / or B properties , fiber or filament-shaped material.
- 3. A thermoplastic fiber composite material consists of a reinforcing structure which is composed exclusively of air-textured or air-mixed multicomponent hybrid yarns having at least two materials, wherein the hybrid yarns of a reinforcing material and at least one of the properties of categories A and / or B modifying, fiber or filament-shaped material and the fiber composite material is produced by the separate supply of the matrix by films, melt, powder or reactive thermoplastics.
- 4. A thermoplastic fiber composite material consists of a reinforcing structure which, in addition to the original reinforcing yarns, is partially constructed of air-textured multicomponent hybrid yarns having at least two materials, the hybrid yarns being of a reinforcing material and modifying at least one of the A and / or B properties , fiber or filament-shaped material and the fiber composite material is produced by the separate supply of the matrix by films, melt, powder or reactive thermoplastics.
- 5. A thermoplastic fiber composite material consists of a reinforcing structure composed exclusively of air-textured or air-twisted multi-component hybrid yarns having at least three materials, wherein the hybrid yarns of a reinforcing material, at least one of the properties of categories A and / or B modifying, fiber or filament-shaped material and the matrix material.
- 6. A thermoplastic fiber composite material consists of a reinforcing structure which, in addition to the original reinforcing filaments consisting of at least two components (reinforcing and matrix component), is constructed in part of air-textured multi-component air-twisted yarns having at least three materials, said hybrid yarns being of a reinforcing material , at least one of the properties of the categories A and / or B modifying, fibrous or filamentous material and the matrix material.
In dem Faserverbundwerkstoff kann ein Anteil der die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende, faser- oder filamentförmige Material zu den im definierten Verhältnis zueinander vorliegenden Verstärkungs- und Matrixmaterialien in einem Bereich bis zu ca. 10,0 Vol.-% vorhanden sein.In The fiber composite material can be a proportion of the properties the categories A and / or B modifying, fiber or filamentous Material to the present in the defined ratio to each other Reinforcement and matrix materials in one area up to be present at about 10.0 vol .-%.
Als verarbeitbare Verstärkungsmaterialien können Glas, Carbon, Basalt, Aramid, Keramik vorgesehen sein.When Processible reinforcing materials can be glass, Carbon, basalt, aramid, ceramic be provided.
Als thermoplastische Matrixmaterialien können z. B. Polypropylen, Polyester, Polyamid, Polyetheretherketon oder Polyphenylensulfid vorgesehen sein.When thermoplastic matrix materials may, for. Polypropylene, Polyester, polyamide, polyetheretherketone or polyphenylene sulfide be provided.
Als duroplastisches Matrixmaterial können duromere Harzsysteme, z. B. Epoxidharz, Phenolharz oder Polyesterharz vorgesehen sein.When thermosetting matrix material can be thermosetting resin systems, z. As epoxy resin, phenolic resin or polyester resin may be provided.
Als Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende, faser- oder filamentförmige Materialien können
- – thermoplastische Chemiefasern, z. B. Polyphenylensulfid, hochfestes Polyester, Polyamid, hochfestes Polyethylen oder PEEK,
- – unschmelzbare Chemiefasern, z. B. Aramid, Viskose oder CF,
- – anorganische Chemiefasern – Keramik, z. B. SiBNC, oder
- – Metallfasern
- - thermoplastic fibers, z. As polyphenylene sulfide, high-strength polyester, polyamide, high-strength polyethylene or PEEK,
- - infusible chemical fibers, z. Aramid, viscose or CF,
- - inorganic chemical fibers - ceramics, z. SiBNC, or
- - metal fibers
Das Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen weist folgende Schritte auf:
- – Erzeugung einer Verstärkungsstruktur
4 ,5 aus Mehrkomponenten-Hybridgarn1 , die mindestens eine Verstärkungskomponente2 und mindestens eine eigenschaftsmodifizierende Komponente3 enthält, und - – Einbringen einer Matrixkomponente
6 mit einem vorgegebenen Volumenanteil,
- - Generation of a reinforcing structure
4 .5 from multi-component hybrid yarn1 containing at least one reinforcing component2 and at least one property modifying component3 contains, and - - introducing a matrix component
6 with a predetermined volume fraction,
Erfindungsgemäß werden folgende Schritte durchgeführt:According to the invention following steps are performed:
-
– Hinzufügen mindestens einer
faser- oder filamentförmigen, die Eigenschaften der Kategorien A
und/oder B exklusiv in ihrer Intensität modifizierenden
Komponente
3 zur Verstärkungskomponente2 oder zur Verstärkungskomponente2 und Matrixkomponente6 während der Erzeugung der Verstärkungsstruktur4 ,5 , wobei als mechanische Eigenschaften der Kategorie A Zug-, Biege-, Druck- und Schubeigenschaften, die in der Regel in statischen Prüfungen ermittelt werden, und als mechanische Eigenschaften der Kategorie B dynamische Eigenschaften, wie Crash-, Impact- und Schlageigenschaften, denen eine mehrachsige Beanspruchung zugrunde liegt, festgelegt werden, und- Adding at least one fiber or filamentary, the properties of categories A and / or B exclusively in their intensity modifying component3 to the reinforcing component2 or to the reinforcing component2 and matrix component6 during generation of the reinforcing structure4 .5 where the mechanical properties of category A are tensile, flexural, compressive and thrust properties, which are usually determined in static tests, and mechanical properties of category B are dynamic properties, such as crash, impact and impact properties, which are given a multiaxial load is to be determined, and -
– Gewährleistung einer homogenen Verteilung
aller Komponenten
2 ,3 ,6 über die Fläche der Verstärkungsstruktur4 ,5 und die Dicke des Verbunds.- Ensuring a homogeneous distribution of all components2 .3 .6 over the surface of the reinforcing structure4 .5 and the thickness of the composite.
Durch eine gezielt platzierte Integration des Mehrkomponenten-Hybridgarns in ein textiles Flächengebilde werden zusätzlich zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden systematisch lokale Eigenschaftsänderungen oder Inhomogenitäten für eine anforderungsgerechte Bauteilauslegung durch eine entsprechende partiell eingebrachte Werkstoffkombination eingebracht.By a targeted placement of the multi-component hybrid yarn in a textile fabric will be added to the original reinforcing threads systematically local property changes or inhomogeneities for a requirement-oriented component design by an appropriate component partially introduced material combination introduced.
Die Modifizierung der mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B kann über die Werkstoffzusammensetzung im Faden in der Faserebene durch die Integration eines zusätzlichen, die mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierenden, faser- oder filamentförmigen Materials mit homogener Verteilung über den Fadenquerschnitt in aus mindestens einem Verstärkungsmaterial bestehenden Verstärkungsfäden, die über die textile Flächenbildung und/oder Preformherstellung zu duroplastischen, z. B. durch Harzinjektion und chemisch Aushärtung, oder zu thermoplastischen, z. B. durch Filmstacking oder Pulverbeschichtung mit anschließendem Thermopressprozess, Verbunden weiterverarbeitet sind, durchgeführt werden.The Modification of the mechanical properties of categories A and / or B can be about the material composition in the thread in the Fiber level through the integration of an additional, the mechanical Properties of categories A and / or B modifying, fibrous or filamentous material with homogeneous distribution over the thread cross section in at least one reinforcing material existing reinforcing threads that over textile surface formation and / or preform production to thermosetting, z. B. by resin injection and chemical curing, or to thermoplastic, for. B. by film stacking or powder coating followed by thermopressing process, connected further processed are to be performed.
Für die Erzeugung der vorgegebenen mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B des Verbundes mit duroplastischer Matrix können lufttexturierte oder luftverwirbelte Hybridgarne mit mindestens zwei Komponenten vollständig für die Fertigung der Verstärkungsstruktur oder als zusätzliche Komponente zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden eingesetzt werden, wobei die Hybridgarne aus einer Verstärkungskomponente und einer eigenschaftsmodifizierenden faser- bzw. filamentförmigen Komponente bestehen.For the generation of the predetermined mechanical properties of the categories A and / or B of the composite with thermosetting matrix can air-textured or air-entangled hybrid yarns with at least two components completely for the production the reinforcing structure or as additional Component to the original reinforcing threads can be used, wherein the hybrid yarns of a reinforcing component and a property modifying fibrous or filamentary Component exist.
Bei der Erzeugung eines Verbunds mit thermoplastischer Matrix mit Verfahren, bei denen eine Matrixeinbringung über Folie, Schmelze, Pulver, reaktionsfähige Thermoplaste erfolgt, können für die Erzeugung der vorgegebenen mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B lufttexturierte oder luftverwirbelte Hybridgarne mit mindestens zwei Komponenten vollständig für die Fertigung der Verstärkungsstruktur oder als zusätzliche Komponente zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden eingesetzt werden, wobei die Hybridgarne aus einer Verstärkungskomponente und einer eigenschaftsmodifizierenden faser- bzw. filamentförmigen Komponente bestehen.at the production of a composite with thermoplastic matrix with methods, in which a matrix introduction via foil, melt, Powder, reactive thermoplastics, can for the production of the given mechanical properties categories A and / or B are air-textured or air-swirled Hybrid yarns with at least two components completely for the manufacture of the reinforcement structure or as an additional component to the original Reinforcing threads are used, the Hybrid yarns of a reinforcing component and a property-modifying fibrous or filamentous Component exist.
Bei der Erzeugung des Verbunds mit thermoplastischer Matrix, bei denen die Matrixeinbringung über das Garn erfolgt, können für die Erzeugung der vorgegebenen mechanischen Eigenschaften der Kategorien A und/oder B lufttexturierte oder luftverwirbelte Hybridgarne mit mindestens drei Komponenten vollständig für die Fertigung der Verstärkungsstruktur oder als zusätzliche Komponente zu den ursprünglichen Verstärkungsfäden eingesetzt werden, wobei die Hybridgarne aus einer Verstärkungskomponente, einer eigenschaftsmodifizierenden faser- bzw. filamentförmigen Komponente und einer Matrixkomponente bestehen.at the production of the composite with thermoplastic matrix, in which the matrix is introduced via the yarn can for the production of the given mechanical properties categories A and / or B are air-textured or air-swirled Hybrid yarns with at least three components complete for the manufacture of the reinforcement structure or as an additional component to the original Reinforcing threads are used, the Hybrid yarns of a reinforcing component, a property modifying fiber or filamentous component and a matrix component consist.
- 11
- Mehrkomponenten-HybridgarnMulti-component hybrid
- 22
- Verstärkungskomponentereinforcing component
- 33
- die Eigenschaften der Kategorien A und/oder B modifizierende Komponentethe Properties of categories A and / or B modifying component
- 44
- erste Verstärkungsstrukturfirst reinforcing structure
- 55
- zweite Verstärkungsstruktursecond reinforcing structure
- 66
- Matrixkomponentematrix component
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