DE102009048422A1

DE102009048422A1 - Verbundwerkstoff aus Carbonfaser-Weichfilz und Carbonfaser-Hartfilz

Info

Publication number: DE102009048422A1
Application number: DE102009048422A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kapaun; Oswin Dr. Öttinger; Karl Hingst; Elmar Eber
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-04-07
Also published as: EP2486179A1; WO2011042246A1; KR20120093926A; CN102575400A; US20120219778A1

Abstract

Ein Verbundwerkstoff umfasst wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz, wobei die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff und insbesondere einen hochtemperaturbeständigen Verbundwerkstoff.
Als thermische Isolierungen bei Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise als thermische Isolierungen in Hochtemperaturöfen, werden aufgrund ihrer hohen Hitzestabilität und ihrer chemischen Inertheit gegenüber der in dem Ofeninneren vorliegenden Substanzen häufig Werkstoffe auf Basis von Kohlenstoff eingesetzt. Um sowohl Wärmeverluste durch Wärmestrahlung als auch Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion zu verhindern, sind als thermische Isolierungen bei Hochtemperaturanwendungen bereits Verbundwerkstoffe vorgeschlagen worden, welche beispielsweise eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff und eine Graphitfolie umfassen. Dabei verhindert die Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff insbesondere Wärmeverlust infolge von Wärmeleitung, wohingegen die Graphitfolie reflektierend wirkt und daher Wärmeverlust infolge von Wärmestrahlung verhindert.
Aufgrund ihrer hervorragenden wärmeisolierenden Eigenschaften werden jedoch in der Praxis häufig thermische Isolierungen auf Basis von Carbonfaser-Hartfilz eingesetzt. Carbonfaser-Hartfilz ist jedoch sehr brüchig, weswegen dieser nur schlecht bearbeitbar ist. Aufgrund dieser Eigenschaften kann es beispielsweise bei dem Bearbeiten von Hartfilzplatten auf Maß dazu kommen, dass insbesondere an den Ecken der Platten Material abbröckelt, was dazu führen kann, dass die Platten nicht mehr passgenau in das zu isolierende Bauteil eingesetzt werden können. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn bei einer bestehenden Isolierung auf Basis von Hartfilz einzelne Bereiche der Hartfilzisolierung ersetzt werden sollen, so dass neues Hartfilzmaterial passgenau in eine bereits bestehende Isolierung, aus der zuvor zu erneuernde Teile entfernt wurden, eingesetzt werden muss. Ferner sind Carbonfaser-Hartfilze aufgrund ihres komplexen Herstellungsverfahrens vergleichsweise teuer. Schließlich sind auch die Wärmeisoliereigenschaften von Carbonfaser-Hartfilzen verbesserungsbedürftig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen hochtemperaturbeständigen Werkstoff auf Basis von Carbonfaser-Hartfilz bereitzustellen, welcher einerseits hervorragende Wärmeisolierungseigenschaften aufweist und vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist, und welcher andererseits einfach bearbeitbar, insbesondere einfach auf ein exaktes Maß bearbeitbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Verbundwerkstoff, welcher wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umfasst, wobei die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden ist.
Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Verbundwerkstoff, bei dem wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz mit wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz über ein Bindemittel verbunden ist, die positiven Eigenschaften von Hartfilz nicht nur beibehalten, sondern hinsichtlich der Wärmeisolierungseigenschaften sogar verbessert werden, und zugleich die negativen Eigenschaften von Hartfilz, wie vergleichsweise große Brüchigkeit, geringe Nachgiebigkeit und hohe Herstellungskosten, überwunden oder zumindest beträchtlich verringert werden können. Insbesondere weist ein solcher Verbundwerkstoff eine hohe Nachgiebigkeit und eine geringe Brüchigkeit auf, weswegen dieser einfach bearbeitbar ist und insbesondere einfach auf ein exaktes Maß bearbeitet werden kann. Abgesehen davon ist ein solcher Verbundwerkstoff, weil in diesem teurer Hartfilz teilweise durch kostengünstigeren Weichfilz substituiert ist, vergleichsweise kostengünstig. Zudem weist dieser Verbundwerkstoff aufgrund der Kombination Weichfilz-Hartfilz verglichen mit einem allein aus Hartfilz bestehenden Material mit gleichen Ausmaßen bessere wärmeisolierende Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff unter anderem hervorragend zur Verwendung als thermische Isolierung in Hochtemperaturöfen. Aufgrund seiner einfachen Bearbeitbarkeit eignet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff insbesondere auch dazu, bei der Reparatur bereits bestehender thermischer Isolierungen auf Basis von Hartfilz eingesetzt zu werden, bei welcher beispielsweise ein Teil einer bestehenden thermischen Isolierung, welche beispielsweise allein aus Hartfilz besteht, passgenau durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ersetzt wird.
Unter (Carbonfaser-)Hartfilz wird im Sinne der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der auf dem hier relevanten Fachgebiet üblichen Definition ein Filz bezeichnet, welcher neben Carbonfasern eine Matrix aus Bindemittel enthält, wohingegen (Carbonfaser-)Weichfilz ein Filz ist, welcher keine Matrix bzw. kein Bindemittel enthält. Aufgrund dessen ist Weichfilz flexibel, wohingegen Hartfilz formstabil ist.
Ferner werden im Sinne der vorliegenden Erfindung unter Carbonfasern ebenfalls im Einklang mit der auf dem hier relevanten Fachgebiet üblichen Definition allgemein Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien verstanden.
Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden. Darunter wird hier verstanden, dass die beiden Schichten aufgrund der Wirkung eines Bindemittels direkt miteinander verbunden sind, wobei das Bindemittel zwischen der Weichfilzschicht und der Hartfilzschicht als Zwischenschicht ausgebildet sein kann oder die Weichfilzschicht und die Hartfilzschicht miteinander durch an den Grenzflächen der benachbarten Filzschichten befindliches Bindemittel verbunden sein können, ohne dass zwischen den beiden Filzschichten eine Zwischenschicht aus Bindemittel ausgebildet sein muss. Bei dieser Verbindung handelt es sich vorzugsweise um eine großflächige Verbindung, d. h. die beiden Filzschichten sind zumindest im Wesentlichen über ihre gesamte Kontaktfläche durch ein Bindemittel miteinander verbunden. Dabei wird die Kontaktfläche der beiden Filzschichten vorzugsweise durch jeweils eine Flachseite der Filzschichten ausgebildet. Da die beiden Flachseiten niemals vollständig bzw. ideal planar sind, werden sich die beiden Flachseiten in der Realität nicht vollflächig berühren, sondern über eine Vielzahl von Berührungsbereichen berühren. In diesem Fall sind vorzugsweise zumindest im Wesentlichen alle Berührungsbereiche über ein Bindemittel miteinander verbunden.
Als Bindemittel für diesen Zweck können alle Bindemittel eingesetzt werden, welche eine Hartfilzschicht und eine Weichfilzschicht fest miteinander verbinden können, wobei insbesondere bevorzugt kohlenstoffhaltige Bindemittel und ganz besonders bevorzugt solche ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen eingesetzt werden. Gemäß einer höchst bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein aus der zuvor genannten Gruppe ausgewähltes Bindemittel eingesetzt, welches flächig ausgebildete Partikel aus Naturgraphit und/oder aus expandiertem Graphit enthält, wobei unter flächigen Partikeln hier Partikel verstanden werden, welche eine größere Dimension in der Fläche (Durchmesser) als der Dicke aufweisen. Der mittlere Durchmesser der Partikel kann beispielsweise zwischen 1 und 250 μm und bevorzugt zwischen 5 und 55 μm liegen. Derartige Bindemittel weisen einen hohen Anisotropiegrad auf, wobei die Wärmeleitung, weil sich die flächigen anisotropen Partikel parallel zu den angrenzenden Werkstoffschichten ausrichten, über die Grenzfläche zwischen den angrenzenden Schichten nur gering ausgeprägt ist. Diese Bindemittel werden dann thermisch und/oder chemisch ausgehärtet, wobei die chemische Aushärtung beispielsweise durch Säurezugabe erreicht werden kann und die thermische Aushärtung beispielsweise bei einer Temperatur von wenigstens 50°C und bevorzugt bei 100 bis 200°C durchgeführt werden kann. Nach der Aushärtung kann optional eine Carbonisierung oder eine Graphitierung durchgeführt werden.
Grundsätzlich kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz jede beliebige Schichtdicke aufweisen. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere im Hinblick auf ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften und eine gute Bearbeitbarkeit des Verbundwerkstoffes erhalten, wenn die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz eine Dicke zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 1 und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 20 mm aufweist.
Auch bezüglich der Dichte und dem Flächengewicht der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz ist die vorliegende Erfindung nicht besonders limitiert. Im Hinblick auf das Erreichen ausgezeichneter wärmeisolierender Eigenschaften und einer gute Bearbeitbarkeit des Verbundwerkstoffes hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz eine Dichte zwischen 0,01 und 1 g/cm³, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 g/cm³ und besonders bevorzugt zwischen 0,08 und 0,15 g/cm³ aufweist.
Aus den gleichen Gründen ist es bevorzugt, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz ein Flächengewicht zwischen 50 und 10.000 g/m², besonders bevorzugt zwischen 100 und 5.000 g/m² und ganz besonders bevorzugt zwischen 200 und 1.500 g/m² aufweist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht eine Länge zwischen 0,1 und 500 mm, bevorzugt zwischen 1 und 250 mm und besonders bevorzugt zwischen 40 und 100 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht eine Feinheit zwischen 0,1 und 100 dtex, bevorzugt zwischen 0,5 und 25 dtex und besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 dtex auf.
Die Carbonfaser-Weichfilzschicht kann hergestellt werden, indem Fasern aus geeigneten Ausgangsmaterialien durch Filzen miteinander verfilzt werden, bevor der Filz carbonisiert oder optional graphitiert wird. Dabei wird die Carbonisierung vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens 600°C und maximal 1.500°C durchgeführt, wohingegen die optionale Graphitierung vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 2.000°C und 2.500°C durchgeführt wird. Die Durchführung einer Graphitierung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn der unter Verwendung der Weichfilzschicht hergestellte Verbundwerkstoff gegenüber Chemikalien, insbesondere gegenüber molekularem Sauerstoff, besonders stabil bzw. inert sein soll. Dabei kann die Carbonisierung bzw. Graphitierung auch als abschließender Schritt der Verbundstoffherstellung vorgenommen werden, nämlich erst dann, nachdem die einzelnen Schichten des Verbundstoffes übereinander angeordnet wurden.
Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann die Carbonfaser-Weichfilzschicht auch hergestellt werden, indem Fasern aus geeigneten Ausgangsmaterialien zuerst carbonisiert oder graphitiert werden, bevor die so erhaltenen Carbonfasern verfilzt werden.
Bei beiden vorgenannten Ausführungsformen können als Ausgangsfasern Fasern aus einem beliebigen kohlenstoffhaltigen Material eingesetzt werden, sofern dieses durch eine Wärmebehandlung zu Kohlenstoff carbonisiert bzw. zu Graphit graphitiert werden kann. Als für diesen Zweck insbesondere geeignet haben sich Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern), peroxidierte Polyacrylnitrilfasern (PANOX-Fasern) und Pechfasern erwiesen. Vorzugsweise werden Monofilamente aus einem Material, beispielsweise ausschließlich Polyacrylnitrilfasern, eingesetzt. Allerdings ist es auch möglich, eine Fasermischung einzusetzen, wie beispielsweise eine Mischung aus Polyacrylnitrilfasern und aus Cellulosefasern, oder Bifilamente, d. h. Fasern, welche, beispielsweise in Form einer Kern-Mantel-Struktur, sowohl Polyacrylnitril als auch Cellulose enthalten.
Gleichermaßen wie die Carbonfaser-Weichfilzschicht weist auch die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 1 und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 20 mm auf.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz eine Dichte zwischen 0,02 und 2 g/cm³, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 1,0 g/cm³ und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,3 g/cm³ aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Flächengewicht der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz zwischen 200 und 50.000 g/m² und besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 10.000 g/m².
Die Länge und die Feinheit der in der wenigstens einen Hartfilzschicht enthaltenen Carbonfasern entsprechen vorzugsweise im Wesentlichen den vorstehend in Bezug zu der Weichfilzschicht genannten Werten. Mithin beträgt die Länge der Fasern der wenigstens einen Hartfilzschicht vorzugsweise zwischen 0,1 und 500 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 250 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 3 und 100 mm, wohingegen die Feinheit der Fasern der wenigstens einen Hartfilzschicht vorzugsweise zwischen 0,1 und 100 dtex, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 25 dtex und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 dtex beträgt.
Grundsätzlich kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz jedes geeignete kohlenstoffhaltige Bindemittel enthalten, sofern dieses durch eine Wärmebehandlung zu Kohlenstoff carbonisiert bzw. zu Graphit graphitiert werden kann. Als besonders geeignete Bindemittel für die Hartfilzschicht haben sich kohlenstoffhaltige Bindemittel erwiesen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Hartfilzschicht so zusammengesetzt ist, dass diese eine gemäß der DIN 29971 gemessene Biegefestigkeit zwischen 0,1 und 20 MPa, bevorzugt zwischen 0,2 und 5 MPa und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 1,5 MPa aufweist.
Zur Herstellung der Carbonfaser-Hartfilzschicht kann ein Carbonfaser-Weichfilz mit einem geeigneten Bindemittel, insbesondere mit einem aus der aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen bestehenden Gruppe ausgewählten Bindemittel, imprägniert werden, bevor dieses unter den vorstehend in Bezug zu der Herstellung der Weichfilzschicht genannten Bedingungen carbonisiert oder graphitiert wird. Als Ausgangsfasern werden auch hier bevorzugt Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern, peroxidierte Polyacrylnitrilfasern, Pechfasern oder beliebige Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Fasern eingesetzt.
Alternativ dazu kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz auch durch Vermischen von Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern, peroxidierten Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern mit Bindemittel, anschließendes Pressen der Fasern und danach Carbonisieren oder Graphitieren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Alternative wird nur eine Filzmischung, welche gegebenenfalls beispielsweise durch Pressen, Vakuumanwendung, Behandeln in einer Wärmekammer, Behandeln in einer Trockenkammer, Behandeln in einem Autoklaven oder chemisch durch Zusatz eines Härters gehärtet worden ist, eingesetzt, welche nach dem Anordnen der einzelnen Schichten des Verbundstoffes übereinander zusammen mit den anderen Schichten des Verbundstoffes carbonisiert und/oder graphitiert werden kann.
Bezüglich der Anzahl an Hartfilz- und Weichfilzschichten ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff lediglich eine Weichfilzschicht und eine Hartfilzschicht aufweisen oder jeweils zwei, drei oder mehr Weichfilz- und Hartfilzschichten aufweisen. Genauso gut kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff eine unterschiedliche Anzahl von Weichfilzschichten und Hartfilzschichten aufweisen, beispielsweise eine Weichfilzschicht und zwei oder mehr Hartfilzschichten oder eine Hartfilzschicht und zwei oder mehr Weichfilzschichten. Dabei ist wenigstens eine Hartfilzschicht mit wenigstens einer Weichfilzschicht großflächig über ein Bindemittel verbunden, wobei es allerdings bevorzugt ist, dass alle benachbarten Hart- und Weichfilzschichten jeweils großflächig über ein Bindemittel miteinander verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbundwerkstoff bezüglich der Anordnung der Hartfilz- und Weichfilzschichten symmetrisch aufgebaut.
Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff eine zentrale Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umfassen, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz umgeben ist, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz mit der Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz jeweils über ein Bindemittel verbunden sind. Ebenso geeignet ist ein komplementärer Aufbau, also ein Verbundwerkstoff mit einer zentralen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umgeben ist, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz mit der Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz jeweils über ein Bindemittel verbunden sind. Dabei können die vorgenannten Verbundwerkstoffe aus diesen Anordnungen bestehen, also keine weiteren Schichten aufweisen, oder zusätzliche Schichten aus anderem Material, beispielsweise eine oder mehrere Graphitfolien und/oder ein oder mehrere Schichten aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff, aufweisen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen jeweils die äußeren Schichten von einer weiteren, komplementären Filzschicht umgeben sind. Dies führt zu einem Aufbau mit einer zentralen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz umgeben ist, auf denen wiederum jeweils eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz angeordnet ist, oder zu einem dazu komplementären Aufbau mit einer zentralen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umgeben ist, auf denen wiederum jeweils eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz angeordnet ist.
Um beispielsweise die Undurchlässigkeit bzw. Barriereeigenschaften des Verbundwerkstoffes gegenüber Wärmestrahlung und Gasen zu erhöhen, kann der Verbundwerkstoff neben wenigstens einer Weichfilzschicht und wenigstens einer Hartfilzschicht eine oder mehrere weitere Schichten aufweisen, welche beispielsweise aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff und/oder Graphitfolie zusammengesetzt sind. Vorzugsweise ist/sind diese weiteren Schicht(en) auf einer der äußersten Schichten des Verbundwerkstoffs oder auf den beiden äußersten Schichten des Verbundwerkstoffs aufgebracht und mit diesen über eine Bindemittel verbunden. Allerdings kann zwischen einzelnen Filzschichten auch wenigstens eine Zwischenschicht aus einem solchen Material vorgesehen sein, sofern wenigstens eine Weichfilzschicht mit wenigstens einer Hartfilzschicht direkt, d. h. ohne Zwischenschicht (abgesehen von Bindemittel), verbunden ist.
Beispielsweise kann bei der vorgenannten Ausführungsform, bei welcher der Verbundwerkstoff eine zentrale Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umfasst, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz umgeben ist, auf den beiden äußeren Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz jeweils außenseitig eine Graphitfolie und/oder eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff angeordnet sein. Analog dazu kann bei der Ausführungsform, bei welcher der Verbundwerkstoff eine zentrale Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz aufweist, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umgeben ist, auf den beiden äußeren Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz jeweils außenseitig eine Graphitfolie und/oder eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff angeordnet sein.
Sofern in dem erfindungsgemäßen Verbundstoff wenigstens eine Graphitfolie vorgesehen ist, weist diese vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 3 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 1 mm auf. Eine solche Graphitfolie weist ein hohes Reflexionsvermögen auf und verleiht dem Verbundwerkstoff insbesondere eine gute Barriereeigenschaft, und zwar vor allem gegenüber Gasdurchtritt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Graphitfolie aus Naturgraphit besteht und/oder aus expandiertem Graphit besteht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dichte der Graphitfolie 0,1 bis 1,5 g/cm³. Vorzugsweise wird eine dichtgewalzte Graphitfolie eingesetzt, welche eine Dichte von etwa 1,0 g/cm³ aufweist. Es können aber auch weniger dicht gewalzte Graphitfolien, wie beispielsweise solche mit einer Dichte von etwa 0,3 g/cm³, eingesetzt werden.
Die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) als optionalen Bestandteil des Verbundwerkstoffs ist aus einer Kohlenstoffmatrix zusammengesetzt, in welcher Carbonfasern enthalten sind. Bei den Carbonfasern kann es sich, was bevorzugt ist, um Endlosfasern handeln oder, was weniger bevorzugt ist, um Stapelfasern, welche beispielsweise eine Länge zwischen 5 und 250 mm, bevorzugt zwischen 10 und 100 mm und besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 mm aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Carbonfasern der CFC-Schicht in Form eines Gewebes ausgebildet. In einer dazu alternativen, aber gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Carbonfasern der CFC-Schicht in Form eines Geleges ausgebildet, wobei die einzelnen Fasern des Geleges unidirektional oder multiaxial angeordnet sein können.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine CFC-Schicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 mm auf.
Gute Ergebnisse im Hinblick auf die Leitfähigkeit werden insbesondere erhalten, wenn die wenigstens eine CFC-Schicht eine Dichte zwischen 0,4 und 3 g/cm³, besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 2,0 g/cm³ und ganz besonders bevorzugt zwischen 1,0 und 1,5 g/cm³ aufweist.
Als Ausgangsmaterial für die Matrix der CFC-Schicht können kohlenstoffhaltige Materialien, insbesondere solche ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen, eingesetzt werden, wohingegen als Ausgangsmaterial für die Carbonfasern bevorzugt Pech oder besonders bevorzugt Polyacrylnitril oder peroxidiertes Polyacrylnitril eingesetzt wird. Es können auch Fasermischungen aus den vorstehenden Materialien oder Bifilamente aus zwei oder mehr der vorstehend genannten Ausgangsmaterialien eingesetzt werden. Dabei kann die Matrix ein Flächengewicht von 100 bis 1.500 g/m² aufweisen.
Solche CFC-Schichten können beispielsweise hergestellt werden, indem peroxidierte Polyacrylnitrilfasern, Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern carbonisiert oder graphitiert werden, dann die so erhaltenen Carbonfasern zu einem Gewebe oder Gelege verarbeitet werden, welches anschließend mit einem Bindemittel imprägniert wird, bevor das so erhaltene Gebilde abschließend wärmebehandelt oder optional carbonisiert und/oder graphitiert wird. Als Bindemittel können kohlenstoffhaltige Verbindungen eingesetzt werden, wobei wiederum solche bevorzugt sind, welche aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen ausgewählt sind.
Aufgrund ihrer vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaften können die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe insbesondere in Hitzeschilden, in thermischen Isolierungen, in Ofeneinbauten oder in anderen Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise in der Gießerei, eingesetzt werden. Aufgrund seiner einfachen Bearbeitbarkeit eignet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff insbesondere auch dazu, bei der Reparatur bereits bestehender thermischer Isolierungen eingesetzt zu werden, bei welcher beispielsweise ein Teil einer bestehenden thermischen Isolierung, welche beispielsweise allein aus Hartfilz besteht, passgenau durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ersetzt wird.
Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe können in jeder beliebigen Form ausgebildet sein. Beispielsweise können diese eine flächige, insbesondere plattenförmige Form aufweisen, oder einen runden Querschnitt aufweisen, also zylinderförmig bzw. rohrförmig ausgestaltet sein. Abgesehen davon können diese jedoch auch in anderen Formen einschließlich geometrisch komplexen Formen vorliegen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines zuvor beschriebenen Verbundwerkstoffes, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz,
b) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz und
c) Verbinden der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz mittels eines Bindemittels.

Dabei kann in dem Verfahrensschritt b) die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz beispielsweise durch Imprägnieren von Carbonfaser-Weichfilz mit einem Bindemittel und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt werden. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz in dem Verfahrensschritt b) durch Vermischen von Fasern mit einem Bindemittel, Pressen der so erhaltenen Mischung und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt werden.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren als Verfahrensschritt d) das Aufbringen von wenigstens einer Graphitfolie und/oder wenigstens einer Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff auf wenigstens eine der Carbonfaser-Filzschichten umfassen.
Zur Aufbringung einer Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff können in dem Verfahrensschritt d) beispielsweise (peroxidierte) Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern carbonisiert oder graphitiert werden, dann die so erhaltenen Carbonfasern zu einem Gewebe oder Gelege verarbeitet werden, welches anschließend mit einem Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen imprägniert wird, bevor das so erhaltene Gebilde optional carbonisiert und/oder graphitiert wird.
Optional kann der Verbundwerkstoff nach dem Anordnen der einzelnen Schichten übereinander gehärtet werden, was beispielsweise durch Pressen, durch Vakuumanwendung, durch Behandeln in einer Wärmekammer, durch Behandeln in einer Trockenkammer, durch Behandeln in einem Autoklaven oder chemisch durch Zusatz eines Härters erfolgen kann.
Schließlich kann der Verbundwerkstoff abschließend carbonisiert und/oder graphitiert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
2 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
3 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
4 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
5 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
6 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Der in der 1 dargestellte Verbundwerkstoff 10 besteht aus einer zentralen Schicht aus Hartfilz 12, auf dessen gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Schicht aus Weichfilz 14, 14' angeordnet ist, wobei die einzelnen Schichten 12, 14, 14' jeweils über ein Bindemittel (nicht dargestellt) großflächig miteinander verbunden sind. Dabei kann das Bindemittel als Zwischenschicht zwischen zwei begrenzenden Filzschichten 12, 14 bzw. 12, 14' vorgesehen sein. Alternativ dazu kann das Bindemittel aus den Kontaktflächen der sich begrenzenden Filzschichten 12, 14, 14' stammen.
Bei dem in der 2 dargestellten Verbundwerkstoff 10 sind die einzelnen Schichten komplementär zu denen des in der 1 dargestellten Verbundwerkstoffes aufgebaut, d. h. dieser besteht aus einer zentralen Schicht aus Weichfilz 14, auf dessen gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Schicht aus Hartfilz 12, 12' angeordnet ist, wobei die einzelnen Schichten 14, 12 bzw. 14, 12' jeweils über ein Bindemittel (nicht dargestellt) großflächig miteinander verbunden sind.
Der in der 3 dargestellte Verbundstoff unterscheidet sich von dem in der 2 dargestellten dadurch, dass auf den beiden Schichten aus Hartfilz 12, 12' außenseitig jeweils eine weitere Schicht aus Weichfilz 14', 14'' angeordnet ist.
Die in den 4 bis 6 dargestellten Verbundstoffe entsprechen den in den 1 bis 3 gezeigten, ausgenommen, dass auf deren äußeren Filzschichten 14, 14' bzw. 12, 12' bzw. 14', 14'' jeweils eine Graphitfolie 16, 16' oder eine Schicht aus carbonfaserverstärkter Kohlenstoff 18, 18' angeordnet ist, welche mit der jeweils darunterliegenden Filzschicht durch ein Bindemittel verbunden sein kann. Alternativ dazu wäre es auch möglich, auf den äußeren Filzschichten 14, 14' bzw. 12, 12' bzw. 14', 14'' sowohl eine Graphitfolie als auch eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff vorzusehen, wobei die Graphitfolie in diesem Fall vorzugsweise auf der Außenseite der Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff angeordnet ist.
Alternativ zu den in den 1 bis 6 gezeigten flächigen Formen können die erfindungsgemäßen Verbundstoffe auch jede beliebige andere Form aufweisen, wie beispielsweise eine zylinderförmige bzw. rohrförmige Form.
Bezugszeichenliste

10: Verbundwerkstoff
12, 12': Hartfilz(schicht)
14, 14', 14'': Weichfilz(schicht)
16, 16': Graphitfolie
18, 18': carbonfaserverstärkter Kohlenstoff

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 29971 [0024]

Claims

Verbundwerkstoff, welcher wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') umfasst, wobei die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') über ein Bindemittel verbunden ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') eine Dicke zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 1 und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 20 mm aufweist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') eine Dichte zwischen 0,01 und 1 g/cm³, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 g/cm³ und besonders bevorzugt zwischen 0,08 und 0,15 g/cm³ aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') ein Flächengewicht zwischen 50 und 10.000 g/m², bevorzugt zwischen 100 und 5.000 g/m² und besonders bevorzugt zwischen 200 und 1.500 g/m² aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht (14, 14', 14'') eine Länge zwischen 0,1 und 500 mm, bevorzugt zwischen 1 und 250 mm und besonders bevorzugt zwischen 40 und 100 mm aufweisen.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht (14, 14', 14'') eine Feinheit zwischen 0,1 und 100 dtex, bevorzugt zwischen 0,5 und 25 dtex und besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 dtex aufweisen.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') durch Filzen und anschließendes Carbonisieren oder Graphitieren von Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern, peroxidierten Polyacrylnitrilfasern oder Pechfasern hergestellt worden ist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') eine Dichte zwischen 0,02 und 2 g/cm³, bevorzugt zwischen 0,1 und 1,0 g/cm³ und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,3 g/cm³ aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel enthält, welches vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel, über welches die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') verbunden ist, ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12) und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Carbonfaser-Hartfilzschicht (12) angeordnete Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14') umfasst, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14') mit der Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12) jeweils über ein Bindemittel verbunden sind.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14) und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Carbonfaser-Weichfilzschicht (14) angeordnete Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') umfasst, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') mit der Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14) jeweils über ein Bindemittel verbunden sind.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') jeweils außenseitig eine weitere Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14', 14'') angeordnet ist, wobei die beiden äußeren Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz (14', 14'') mit der entsprechenden Carbonfaser-Hartfilzschicht (12, 12') jeweils über ein Bindemittel verbunden sind.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser ferner wenigstens eine Graphitfolie (16, 16') und/oder wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') aufweist, welche vorzugsweise auf einer der oder auf den beiden äußersten Filzschichten (12, 12', 14, 14', 14'') des Verbundwerkstoffs (10) angeordnet ist/sind.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Graphitfolie (16, 16') aus Naturgraphit oder expandiertem Graphit besteht und eine Schichtdicke von 0,1 bis 3 mm und bevorzugt zwischen 0,3 und 1 mm aufweist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') Endlosfasern enthält oder Stapelfasern enthält, welche eine Länge zwischen 5 und 250 mm, bevorzugt zwischen 10 und 100 mm und besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 mm aufweisen.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des carbonfaserverstärkten Kohlenstoffs (18, 18') in Form eines Gewebes oder eines Geleges, welches bevorzugt unidirektional oder multiaxial ausgestaltet ist, vorliegen.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 14, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') eine Dicke zwischen 0,1 und 1 mm aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 14, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') eine Dichte zwischen 0,4 und 3 g/cm³, bevorzugt zwischen 0,8 und 2,0 g/cm³ und besonders bevorzugt zwischen 1,0 und 1,5 g/cm³ aufweist.
Verwendung eines Verbundwerkstoffes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 in Hitzeschilden, in thermischen Isolierungen, in Ofeneinbauten oder in anderen Hochtemperaturanwendungen.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 umfassend die nachfolgenden Schritte: a) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14''), b) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') und c) Verbinden der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14'') mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') mittels eines Bindemittels.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') durch Imprägnieren von Carbonfaser-Weichfilz mit einem Bindemittel und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') durch Vermischen von Fasern mit einem Bindemittel, Pressen der so erhaltenen Mischung und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner als Schritt d) das Aufbringen von wenigstens einer Graphitfolie (16, 16') und/oder wenigstens einer Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') auf wenigstens eine der Carbonfaser-Filzschichten (12, 12', 14, 14', 14'') umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt d) peroxidierte Polyacrylnitrilfasern, Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern carbonisiert oder graphitiert werden, dann die so erhaltenen Carbonfasern zu einem Gewebe oder Gelege verarbeitet werden, welches anschließend mit einem Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen imprägniert wird, bevor das so erhaltene Gebilde carbonisiert oder graphitiert wird.