DE102011084626A1

DE102011084626A1 - Vorformling und Formteil auf Basis von Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving insbesondere zur Verwendung als Kupplungsreibscheibe

Info

Publication number: DE102011084626A1
Application number: DE102011084626A
Authority: DE
Inventors: Mario Krupka; Andreas Kienzle; Ingrid Krätschmer
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2012-04-19

Abstract

Ein Vorformling aus faserverstärktem Verbundwerkstoff umfasst wenigstens zwei übereinander liegend angeordnete und jeweils mit Matrix imprägnierte Gelegeschichten, wobei die wenigstens zwei Gelegeschichten jeweils aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut sind, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Gelegeschichten mit wenigstens einer anderen der wenigstens zwei Gelegeschichten vernäht ist und der bzw. die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings dieser wenigstens einen der wenigstens zwei Gelegeschichten winklig versetzt zu dem bzw. den Carbonfaserrovings und/oder Siliclumcarbidfaserrovings der damit vernähten Gelegeschicht(en) angeordnet ist/sind, und, wobei die Matrix aus Kohlenstoff, aus Siliciumcarbid, aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid oder aus Kohlenstoff, Silicium und Siliciumcarbid zusammengesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorformling aus carbonfaserverstärktem und/oder siliciumcarbidfaserverstärktem Verbundwerkstoff, ein daraus hergestelltes Formteil, ein Verfahren zum Herstellen eines Vorformlings, ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils, die Verwendung eines solchen Vorformlings und die Verwendung eines solchen Formteils insbesondere als Reibscheibe für eine Kupplung oder eine Bremse eines Kraftfahrzeugs und insbesondere eines Rennsportwagens.
An Reibscheiben insbesondere für Kupplungen und Bremsen eines Kraftfahrzeugs werden aufgrund der mechanischen und thermischen Beanspruchungen während ihres Betriebs hohe Anforderungen gestellt. Für solche Bauteile werden neben einer hohen Festigkeit und einer hohen Härte insbesondere auch eine hohe thermische Beständigkeit und Verschleißbeständigkeit gefordert. Diese Anforderungen gelten verstärkt für Kupplungsreibscheiben zur Verwendung in Rennsportwagen, um die für Rennsportwagen erforderliche maximale Beschleunigung des Motors sowie die Verkürzung der Schaltzeiten zu ermöglichen. Zudem sind für in Rennsportwagen einzusetzende Reibscheiben ein geringes Gewicht und Massenträgheitsmoment essentiell.
Aufgrund dieser hohen Anforderungen werden solche Reibscheiben zunehmend aus faserverstärkten und insbesondere aus carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen hergestellt. Diese Verbundwerkstoffe weisen nicht nur eine hohe Härte, insbesondere in der Faserrichtung eine hohe Festigkeit sowie Steifigkeit und aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Dichte im Vergleich zu anderen Materialien, wie beispielsweise Stahl, ein geringes Gewicht sowie eine niedrige Massenträgheit auf, sondern diese zeichnen sich aufgrund einer niedrigen Wärmeausdehnung, einer hohen Temperaturbeständigkeit sowie einer hohen Temperaturwechselfestigkeit zudem durch eine extrem hohe thermische Belastbarkeit und eine extrem hohe Verschleißbeständigkeit aus. Ein weiterer Vorteil dieser Verbundwerkstoffe ist es, dass ihre Eigenschaften durch gezielten Rohstoffeinsatz, Werkstoffaufbau und die Wahl der Prozessparameter bezüglich ihrer Anwendung maßgeschneidert werden können.
Derzeit auf dem Markt erhältliche Reibscheiben beispielsweise für Mehrscheiben-Trockenkupplungen für Rennsportwagen bestehen aus carbonfaserverstärkten Kohlenstoff-(CFC-)Verbundwerkstoffen in sortenreiner Reibpaarung oder aus carbonfaserverstärkten Siliciumcarbid-(C/SiC)Verbundwerkstoffen optional in Kombination mit organisch gebundenen oder Sinter-Reibbelägen. Um eine hohe mechanische und thermische Beständigkeit zu ergeben, liegen die Carbonfasern in diesen Verbundwerkstoffen in der Form von Geweben vor, wohingegen zur Herstellung der Kohlenstoffmatrix vornehmlich Harze, Peche und/oder Pyrokohlenstoff eingesetzt werden.
Zwar weisen diese Verbundwerkstoffe gute mechanische Eigenschaften und insbesondere hohe Druck- und Berstfestigkeiten auf, weswegen diese auch für bei besonders hohen Drehzahlen, wie diese in Formel I-Rennsportwagen auftreten, eingesetzte Kupplungsreibscheiben geeignet sind. Allerdings sind diese Verbundwerkstoffe aufgrund des Einsatzes von aufwendig herzustellenden Geweben und der üblicherweise zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe eingesetzten, aufwendigen Prepregtechnologie vergleichsweise teuer. Außerdem resultiert aus der Verwendung von zweidimensionalen Geweben eine starke Anisotropie der Eigenschaften in der Plattenebene und senkrecht dazu. Insbesondere ist aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit senkrecht zu der Plattenebene der Wärmetransport von den heißen Reibflächen in die Kupplungsplatte gering. Zudem sind die mechanischen Eigenschaften bei Beanspruchungen des Verbundwerkstoffs unter einem 45°-Winkel bezogen auf die Gewebestruktur vergleichsweise gering. Ein weiterer Nachteil dieser Verbundwerkstoffe ist es, dass die Faserarchitektur der Gewebe durch die Auswahl der Filamentzahl der zur Herstellung der Gewebe eingesetzten Rovings und durch die Bindungsart des Gewebes, wie Leinwandbindung, Köperbindung oder Satinbindung, nur in sehr begrenztem Ausmaß auf die Anwendungsbedürfnisse angepasst werden kann.
Ein derartiger faserverstärkter Verbundwerkstoff, der wenigstens zwei Lagen aus multidirektionalen Fasergeweben als Verstärkung enthält, wobei wenigstens 5% der Fläche jeder Fasergewebelage von Matrixmaterial durchsetzt ist, wird beispielsweise in der DE 101 64 229 A1 offenbart.
Abgesehen davon sind als Materialen für Reibscheiben von Kupplungen und Bremsen auch Verbundwerkstoffe bekannt, welche auf Basis von anderen Faserstrukturen als Geweben zusammengesetzt sind.
Beispielsweise ist aus der EP 1 154 970 B1 eine Bremsscheibe für eine Scheibenbremse bekannt, welche aus einem Kern und aus zwei auf den gegenüberliegenden Seiten des Kerns aufgebrachten Randschichten besteht, wobei der Kern aus mehreren Schichten aus jeweils Carbonlangfasern mit einer Länge von mindestens 50 mm in einer C/SiC-Matrix enthaltendem Verbundwerkstoff zusammengesetzt ist und die beiden Randschichten aus jeweils Carbonkurzfasern mit einer Länge von weniger als 50 mm in einer C/SiC-Matrix enthaltendem Verbundwerkstoff zusammengesetzt sind. Sowohl bei den Kernschichten als auch bei den Randschichten handelt es sich um unidirektionale Schichten, wobei die unidirektionalen Kernschichten um jeweils 45° winklig versetzt gegeneinander angeordnet sind. Dabei können die Fasern der Kern- und Randschichten in der Form von Rovings eingesetzt werden. Während die Langfasern enthaltenden Kernschichten eine hohe Schadenstoleranz bewirken sollen, soll durch die Kurzfasern enthaltenden Randschichten eine hohe Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erreicht werden. Zwischen den einzelnen Kernschichten kann optional jeweils eine Zwischenschicht aus Carbonfasergewebe enthaltendem Verbundwerkstoff vorgesehen sein, was jedoch nicht zwingend erforderlich und auch nicht bevorzugt sein soll. Ein Nachteil eines solchen Verbundwerkstoffs ist es jedoch, dass dieser herstellungsbedingt – über seine Oberfläche und seinen Querschnitt gesehen – ungleichmäßige Eigenschaften, insbesondere eine ungleichmäßige Zugfestigkeit, eine ungleichmäßige Biegefestigkeit sowie eine ungleichmäßige interlaminare Scherfestigkeit aufweist, was sich insbesondere bei einer Kantenbelastung des Verbundwerkstoffs nachteilig bemerkbar macht. Dies liegt darin begründet, dass sich bei der Herstellung dieses Verbundwerkstoffs und insbesondere bei dem während des Aushärtens des Matrixmaterials stattfindenden Pressschritt einzelne Fasern der lose aufeinanderliegenden Schichten relativ zueinander verschieben, so dass sich in der Faserstruktur und dem daraus hergestellten Verbundwerkstoff Fehlstellen ausbilden, an welchen keine oder weniger Fasern als an anderen Stellen vorliegen oder die Fasern in einer falschen Orientierung vorliegen, was zu einer über die Verbundwerkstoffoberfläche und den Verbundwerkstoffquerschnitt gesehen ungleichmäßigen Faserstruktur führt. Im Bereich dieser Fehlstellen sind die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs, wie insbesondere Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und interlaminare Scherfestigkeit, signifikant verringert. Aufgrund dessen sind die entsprechenden Verbundwerkstoffe nicht zur Verwendung als Reibscheibe in einer Hochleistungskupplung oder in einer Hochleistungsbremse eines Kraftfahrzeugs und insbesondere auch nicht zur Verwendung als Reibscheibe in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Rennsportwagens geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Formteil aus einem carbonfaserverstärkten und/oder siliciumcarbidfaserverstärkten Verbundwerkstoff herzustellen, welches schnell, einfach sowie kostengünstig hergestellt werden kann, welches eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Biegefestigkeit, eine hohe Härte, eine hohe thermische Beständigkeit sowie eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit aufweist, und welches insbesondere auch – über seine Oberfläche und seinen Querschnitt gesehen – sehr gleichmäßige Eigenschaften, wie eine gleichmäßige Zugfestigkeit, eine gleichmäßige Biegefestigkeit sowie eine gleichmäßige interlaminare Scherfestigkeit, aufweist, so dass dieses insbesondere zur Verwendung als Reibscheibe in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Kraftfahrzeugs und insbesondere auch in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Rennsportwagens eingesetzt werden kann. Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Vorformling bereitzustellen, aus dem einfach, schnell und kostengünstig ein entsprechendes Formteil mit den vorgenannten Eigenschaften, welches insbesondere zur Verwendung in einer Reibscheibe für eine Kupplung eines Rennsportwagens geeignet ist, hergestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Vorformling aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, welcher wenigstens zwei übereinander liegend angeordnete und jeweils mit Matrix imprägnierte Gelegeschichten umfasst, wobei die wenigstens zwei Gelegeschichten jeweils aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut sind, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Gelegeschichten mit wenigstens einer anderen der wenigstens zwei Gelegeschichten vernäht ist und der bzw. die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings dieser wenigstens einen der wenigstens zwei Gelegeschichten winklig versetzt zu dem bzw. den Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der damit vernähten Gelegeschicht(en) angeordnet ist/sind, und, wobei die Matrix aus Kohlenstoff, aus Siliciumcarbid, aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid oder aus Kohlenstoff, Silicium und Siliciumcarbid zusammengesetzt ist.
Als Gelegeschicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Schicht bzw. eine Lage aus einem Strang oder mehreren Strängen parallel angeordneter Fasern verstanden. Mithin verlaufen alle Fasern eines Geleges im Sinne der vorliegenden Erfindung unidirektional.
Ferner bezeichnet der Begriff Roving im Sinne der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der fachüblichen Bedeutung dieses Begriffs ein Bündel aus unverdrehten, gestreckten Filamenten.
Schließlich wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter winklig versetzter Anordnung von Carbonfaserroving(s) und/oder Siliciumcarbidfaserroving(s) einer Gelegeschicht zu Carbonfaserroving(s) und/oder Siliciumcarbidfaserroving(s) einer anderen Gelegeschicht verstanden, dass der bzw. die in der einen Gelegeschicht parallel zueinander ausgerichteten Faserroving(s) gegenüber einer in der Ebene der Gelegeschicht beliebig angeordneten Referenzachse einen ersten Winkel aufweisen und der bzw. die in der anderen Gelegeschicht parallel zueinander ausgerichteten Faserroving(s) gegenüber derselben Referenzachse einen zweiten Winkel aufweisen, wobei sich der erste Winkel von dem zweiten Winkel unterscheidet. Vorzugsweise beträgt der Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Winkel 10 bis 180°, besonders bevorzugt 30 bis 120°, ganz besonders bevorzugt 40 bis 100° und höchst bevorzugt etwa 45° oder etwa 90°.
Im Vergleich zu Vorformlingen aus Carbonfasergewebe enthaltendem Verbundwerkstoff können vernähte Gelegeschicht(en) aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving enthaltende Verbundwerkstoff-Vorformlinge, insbesondere auch in hohen Stückzahlen, schnell, einfach und kostengünstig, und zwar um etwa zweidrittel kostengünstiger, hergestellt werden, Dies liegt u. a. daran, dass bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Vorformlings – im Gegensatz zu der Herstellung eines Vorformlings auf Basis von Carbonfasergewebe enthaltendem Verbundwerkstoff, bei der die gewünschten Form aus Gewebeplatten ausgeschnitten werden muss, was zu einem Materialverlust führt und zudem aufwendig ist – kein Zuschnitt aus Plattenware erfolgen muss, sondern der Vorformling vielmehr aus dem bzw. den Rohstoffen, nämlich Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving, ohne Zuschnitt endkonturnah hergestellt werden kann.
Zudem wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschenderweise herausgefunden, dass entsprechende Vorformlinge aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, welcher wenigstens zwei übereinander liegend angeordnete und jeweils mit Matrix auf Basis von Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid imprägnierte Gelegeschichten umfasst, wobei die wenigstens zwei Gelegeschichten jeweils aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut sind, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Gelegeschichten mit wenigstens einer anderen der wenigstens zwei Gelegeschichten vernäht ist und der bzw. die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings dieser wenigstens einen der wenigstens zwei Gelegeschichten winklig versetzt zu dem bzw. den Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der damit vernähten Gelegeschicht(en) angeordnet ist/sind, beispielsweise durch ein oder mehrere Nachverdichtungsschritte, ggf. Graphitierung und ggf. Silizieren zu Formteilen verarbeitet werden können, welche ausgezeichnete mechanische und thermische Eigenschaften und überraschenderweise insbesondere auch – über ihre Oberfläche und ihren Querschnitt gesehen – besonders gleichmäßige mechanische und thermische Eigenschaften aufweisen, und zwar insbesondere eine hohe und gleichmäßige Zugfestigkeit, eine hohe und gleichmäßige Biegefestigkeit, eine hohe und gleichmäßige interlaminare Scherfestigkeit, eine hohe und gleichmäßige Härte, eine ausgezeichnete und gleichmäßige thermische Beständigkeit sowie eine hervorragende und gleichmäßige Verschleißbeständigkeit. Dabei wird die – über die Oberfläche und den Querschnitt des Formteils gesehen – große Gleichmäßigkeit der guten mechanischen und thermischen Eigenschaften insbesondere dadurch erreicht, dass von den wenigstens zwei Gelegeschichten wenigstens eine Gelegeschicht mit wenigstens einer anderen Gelegeschichten vernäht ist, und dadurch, dass die in diesen Schichten enthaltenen Carbonfaserrovings bzw. Siliciumcarbidfaserrovings winklig versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei wird die aufgrund der winklig versetzten Orientierung der Rovings in den einzelnen Gelegeschichten erreichte – über die Oberfläche und den Querschnitt des Formteils gesehene – Vergleichmäßigung der Eigenschaften des Formteils durch das Vernähen von wenigstens zwei benachbarten Gelegeschichten beträchtlich erhöht, weil dadurch bei der Herstellung des Formteils und insbesondere bei den Pressschritten, wie insbesondere bei dem während des Aushärtens des Matrixmaterials stattfindenden Pressschritt, eine Verschiebung einzelner Fasern relativ zueinander und so eine teilweise Zerstörung der Faserstruktur und insbesondere die Ausbildung von Fehlstellen in der Faserstruktur und dem daraus hergestellten Verbundwerkstoff zuverlässig vermieden werden. Dies deshalb, weil die Fasern der beiden miteinander vernähten Schichten durch das Vernähen zueinander fixiert werden. Somit wirken die beiden vorstehend genannten Maßnahmen synergistisch zusammen. Insbesondere weisen die erfindungsgemäßen Vorformlinge und Formteile eine beträchtlich höhere Kantendruckfestigkeit und eine signifikant bessere Schubfestigkeit auf als Vorformlinge und Formteile auf Basis von carbonfasergewebeverstärkten Verbundwerkstoffen oder als die aus der EP 1 154 970 B1 bekannten Vorformlinge und Formteile. Aus den vorstehenden Gründen eignen sich die erfindungsgemäßen Vorformlinge hervorragend zur Herstellung einer Reibscheibe zur Verwendung in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Kraftfahrzeugs und insbesondere auch zur Herstellung einer Reibscheibe zur Verwendung in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Rennsportwagens.
Erfindungsgemäß ist in dem erfindungsgemäßen Vorformling wenigstens eine der Gelegeschichten mit wenigstens einer anderen der Gelegeschichten vernäht. Hierdurch wird nicht nur eine große Formstabilität des Vorformlings während dessen gesamten Verarbeitung erreicht, was nicht nur eine endkonturnahe Herstellung erlaubt, sondern insbesondere auch ein Verschieben von Fasern der Rovings in den Gelegeschichten relativ zueinander unter teilweise Zerstörung der Faserstruktur zuverlässig verhindert, und zwar insbesondere auch bei den Pressschritten, wie bei dem während der Aushärtung stattfindenden Pressschritt, Bei dem Vernähen wird grundsätzlich immer der zu vernähende Aufbau, d. h. bei dem Vernähen von zwei Schichten mithin die beiden übereinander liegenden Schichten, komplett mit der Nähnadel und dem Nähfaden durchstochen. Dabei durchdringt die Nadel den Aufbau, wobei nach dem Durchstechen der Oberfaden mit dem Unterfaden verknüpft wird, bevor sich die Nadel anschließend wieder zurückzieht.
Gute Ergebnisse werden bei dem Vernähen der wenigstens zwei Gelegeschichten insbesondere erhalten, wenn die Vernadelungsdichte bzw. Stichdichte, d. h. die Anzahl der Einstiche pro Fläche, 0,01 bis 100 Stiche pro mm², bevorzugt 0,05 bis 20 Stiche pro mm², besonders bevorzugt 0,1 bis 10 Stiche pro mm², ganz besonders bevorzugt 0,5 bis 2 Stiche pro mm² und höchst bevorzugt etwa 1 Stich pro mm² beträgt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wenigstens eine der und sind bevorzugt alle der Gelegeschichten des erfindungsgemäßen Vorformlings jeweils aus einem oder mehreren Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings mit einer Filamentzahl von 1.000 bis 60.000, besonders bevorzugt mit einer Filamentzahl von 12.000 bis 60.000 und ganz besonders bevorzugt mit einer Filamentzahl von 24.000 bis 55.000 zusammengesetzt. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn die einzelnen Gelegeschichten jeweils aus Carbonfaserroving(s) mit einer Filamentzahl von 24.000 (bzw. 24k-Carbonfaserroving) oder mit einer Filamentzahl von 50.000 (bzw. 50k-Carbonfaserroving) zusammengesetzt sind oder wenn einzelne Gelegeschichten jeweils aus Siliciumcarbidfaserroving(s) mit einer Filamentzahl von 1.000 bis 3.000 zusammengesetzt sind. Je größer die Filamentzahl der eingesetzten Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings ist, desto spaltenfreiere Gelegeschichten können hergestellt werden. Dadurch wird insbesondere auch ein besserer Wärmetransport in der bzw. zwischen den Gelegeschicht(en) erreicht. Zudem weisen entsprechend zusammengesetzte Gelegeschichten auch eine hervorragende interlaminare Scherfestigkeit auf. Schließlich nimmt die Schichtdicke der aus den Carbonfaserroving zusammengesetzten Gelegeschichten mit zunehmender Filamentzahl der eingesetzten Carbonfaserrovings zu, so dass zur Erreichung einer gewünschten Gesamtdicke des Vorformlings weniger Gelegeschichten eingesetzt werden müssen, wodurch die Herstellung einfacher und kostengünstiger erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird es vorgeschlagen, dass wenigstens eine der und bevorzugt alle der Gelegeschichten des erfindungsgemäßen Vorformlings jeweils aus Carbonfaserendlosroving(s) und/oder Siliciumcarbidfaserendlosroving(s) zusammengesetzt ist/sind. Zudem ist auch die Handhabung bei der Herstellung der einzelnen Gelegeschichten einfacher als in dem Fall der Verwendung von geschnittenen Faserrovings. Dabei kann die Herstellung von wenigstens zwei miteinander vernähten Gelegeschichten unter Verwendung eines Endlosrovings beispielsweise so erfolgen, dass zunächst ein Carbonfaserroving und/oder ein Siliciumcarbidfaserroving von einer Spule abgerollt und in der gewünschten Orientierung auf eine Deckschicht abgelegt wird, bevor auf diese unterste Gelegeschicht ein von der Spule abgerollter Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving in der gewünschten Orientierung abgelegt und dort mit einem Kunststoffnähfaden vernäht bzw. versteppt wird, bevor ggf. die weiteren Gelegeschichten aufgebracht und ggf. vernäht werden. Das Vernähen kann dabei gleichzeitig mit der Ablage des Carbonfaserroving erfolgen.
Grundsätzlich können die Gelegeschichten des erfindungsgemäßen Vorformlings ein beliebiges Flächengewicht aufweisen. Allerding ist es im Hinblick auf die Erzielung einer homogenen dichten Lage bevorzugt, dass wenigstens eine der Gelegeschichten und bevorzugt alle der Gelegeschichten des erfindungsgemäßen Vorformlings ein Flächengewicht von 50 bis 500 g/m², insbesondere bevorzugt von 100 bis 300 g/m², besonders bevorzugt von 150 bis 250 g/m², ganz besonders bevorzugt von 175 bis 225 g/m² und höchst bevorzugt von etwa 200 g/m² aufweisen.
Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung auch bezüglich der Anzahl der Gelegeschichten nicht besonders beschränkt, so dass diese in Abhängigkeit von der gewünschten Dicke des Vorformlings und im Hinblick auf die gewünschten anwendungstechnischen Eigenschaften des aus dem Vorformling herzustellenden Formteils beliebig gewählt werden kann. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn der Vorformling 2 bis 50, bevorzugt 3 bis 40, besonders bevorzugt 4 bis 30, ganz besonders bevorzugt 5 bis 20 und höchst bevorzugt 10 bis 15 Gelegeschichten, wie beispielsweise 12 mit Matrix imprägnierte Gelegeschichten umfasst, welche bevorzugt alle aus in einer Matrix eingebetteten Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings zusammengesetzt sind. Optional können zwischen einzelnen Gelegeschichten ein oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen sein, wie beispielsweise ein oder mehrere Gewebeschichten, Gewirkschichten, Gestrickschichten oder Vliesschichten. Bevorzugt sind jedoch zwischen den einzelnen Gelegeschichten keine Zwischenschichten vorgesehen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass alle der Gelegeschichten übereinander liegend angeordnet sind und jede der Gelegeschichten mit wenigstens einer benachbarten Gelegeschicht vernäht ist. Grundsätzlich können in einem beispielsweise 12 Gelegeschichten umfassenden Vorformling alle Gelegeschichten miteinander vernäht sein, indem alle Gelegeschichten mit beiden ihrer Seiten jeweils mit einer benachbarten Gelegeschicht vernäht sind. Alternativ dazu können in dem Vorformling auch nur einzelne der Gelegeschichten miteinander vernäht sein, wobei es, wie dargelegt, bevorzugt ist, dass jede der Gelegeschichten mit wenigstens einer benachbarten Gelegeschicht vernäht ist. Beispielsweise können in dem beispielhaften 12 Gelegeschichten umfassenden Vorformling alle Schichten mit genau einer benachbarten Gelegeschicht vernäht sein, und zwar beispielsweise, indem die – von unten nach oben gesehen – erste Gelegeschicht mit der zweiten Gelegeschicht vernäht ist, die dritte Gelegeschicht mit der viertem Gelegeschicht vernäht ist, die fünfte Gelegeschicht mit der sechsten Gelegeschicht vernäht ist, die siebte Gelegeschicht mit der achten Gelegeschicht vernäht ist, die neunte Gelegeschicht mit der zehnten Gelegeschicht vernäht ist und die elfte Gelegeschicht mit der zwölften Gelegeschicht vernäht ist, wohingegen die Gelegeschichten ansonsten unvernäht sind, also die zweite Gelegeschicht nicht mit der dritten Gelegeschicht vernäht ist, die vierte Gelegeschicht nicht mit der fünften Gelegeschicht vernäht ist usw. Gleichermaßen ist es auch möglich, dass beispielsweise die erste, zweite und dritte Gelegeschichten miteinander vernäht sind, die vierte, fünfte und sechste Gelegeschichten miteinander vernäht sind, die siebte, achte und neunte Gelegeschichten miteinander vernäht sind und die zehnte, elfte und zwölfte Gelegeschichten miteinander vernäht sind.
Dabei ist es besonders bevorzugt, dass alle der Gelegeschichten übereinander liegend angeordnet sind und jede der Gelegeschichten mit genau einer benachbarten Gelegeschicht vernäht ist, also jede der Gelegeschichten mit einer ihrer beiden Seiten mit einer anderen daran angrenzenden Gelegeschicht vernäht ist, wohingegen die gegenüberliegende Seite der Gelegeschicht unvernäht ist.
Die vorstehenden Ausführungsformen können beispielsweise unter Verwendung von jeweils mit Matrix imprägnierten multiaxialen Gelegen erreicht werden. Dabei ist es bevorzugt, dass wenigstens zwei der und besonders bevorzugt alle der multiaxialen Gelege winklig versetzt zueinander angeordnet sind, und zwar vorzugsweise so, dass diese rotationsymmetrisch winklig versetzt zueinander angeordnet sind. Darunter wird im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die einzelnen benachbarten multiaxialen Gelege – von unten nach oben betrachtet – jeweils mit einem konstanten Winkel von beispielsweise +45° oder –45° zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Summe aller Winkel, also in dem vorgenannten Bespiel (n – 1) × 45° worin n die Anzahl der multiaxialen Gelege ist, vorzugsweise mindestens 90°, insbesondere bevorzugt mindestens 180°, besonders bevorzugt wenigstens 225° und ganz besonders bevorzugt wenigstens 270° beträgt. Beispielsweise sind bei dieser Ausführungsform 6 multiaxiale Gelege übereinander liegend angeordnet, wobei alle der multiaxialen Gelege winklig versetzt zueinander angeordnet sind, und zwar so, dass jedes Gelege gegenüber dem benachbarten, darunter liegenden Gelege um +45° versetzt ist, also die Summe der Winkel (6 – 1) × 45° = 225° beträgt.
Gemäß einer ersten besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Vorformling 1 bis 20, bevorzugt 2 bis 10, insbesondere bevorzugt 3 bis 9, besonders bevorzugt 4 bis 8, ganz besonders bevorzugt 5 bis 7 und höchst bevorzugt 6 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte biaxiale Gelege. Dabei ist vorzugsweise jedes biaxiale Gelege aus zwei miteinander vernähten Gelegeschichten aus jeweils Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der beiden vernähten Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind und die einzelnen biaxialen Gelege nicht miteinander vernäht sind. Dadurch wird es erreicht, dass jede Gelegeschicht des Vorformlings mit genau einer benachbarten Gelegeschicht vernäht ist, also jede der Gelegeschichten mit einer ihrer beiden Seiten mit einer anderen daran angrenzenden Gelegeschicht vernäht ist, wohingegen die gegenüberliegende Seite der Gelegeschicht unvernäht ist. Optional können zwischen einzelnen biaxialen Gelegen ein oder mehrere Zwischenschichten vorgesehen sein, wie beispielsweise ein oder mehrere Gewebeschichten, Gewirkschichten, Gestrickschichten oder Vliesschichten. Bevorzugt sind jedoch zwischen den einzelnen biaxialen Gelegen keine Zwischenschichten vorgesehen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass der Vorformling bei dieser Ausführungsform zwei oder mehr mit Matrix imprägnierte biaxiale Gelege umfasst, und zwar bevorzugt 2 bis 10, insbesondere bevorzugt 3 bis 9, besonders bevorzugt 4 bis 8, ganz besonders bevorzugt 5 bis 7 und höchst bevorzugt 6 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte biaxiale Gelege, wobei wenigstens zwei der biaxialen Gelege in Bezug auf das benachbarte biaxiale bzw. die benachbarten biaxialen Gelege winklig versetzt angeordnet sind und besonders bevorzugt alle der biaxialen Gelege in Bezug auf das benachbarte biaxiale bzw. die benachbarten biaxialen Gelege winklig versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise wird es erreicht, dass alle Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind, wodurch eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit und der interlaminaren Scherfestigkeit – über die Oberfläche und den Querschnitt des Vorformlings und des daraus hergestellten Formteils gesehen – erreicht wird.
Vorzugsweise sind die einzelnen biaxialen Gelege rotationsymmetrisch winklig versetzt zueinander angeordnet, d. h. die einzelnen übereinander liegenden biaxialen Gelege sind jeweils gegenüber dem bzw. den benachbarten Gelegen mit einem konstanten Winkel zueinander versetzt angeordnet. Dabei ist der konstante Winkel vorzugsweise so gewählt, dass die Summe aller Winkel vorzugsweise mindestens 90°, insbesondere bevorzugt mindestens 180°, besonders bevorzugt wenigstens 225° und ganz besonders bevorzugt wenigstens 270° beträgt.
Gute Ergebnisse werden dabei in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit und der interlaminaren Scherfestigkeit – über die Oberfläche und den Querschnitt des Vorformlings gesehen – insbesondere erreicht, wenn die biaxialen Gelege so aufgebaut und so ausgerichtet sind, dass sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der miteinander vernähten Gelegeschichten der biaxialen Gelege in Bezug auf eine in der Ebene des jeweiligen Geleges liegende Referenzachse um 10° bis 170°, bevorzugt 30° bis 150°, besonders bevorzugt 60° bis 120° und ganz besonders bevorzugt 80° bis 100° voneinander unterscheiden und/oder sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings von benachbarten, miteinander nicht-vernähten Gelegeschichten verschiedener biaxialer Gelege in Bezug auf die Referenzachse um 10° bis 90°, bevorzugt 20° bis 80°, besonders bevorzugt 30° bis 70° und ganz besonders bevorzugt 40° bis 50° voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind bei dieser Ausführungsform 6 biaxiale Gelege übereinander liegend angeordnet, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der beiden in jedem biaxialen Gelege vorliegenden Gelegeschichten um jeweils 90° winklig versetzt zueinander angeordnet sind und jedes biaxiale Gelege gegenüber dem benachbarten, darunter liegenden Gelege um +45° versetzt angeordnet ist. Bei den biaxialen Gelegen kann es sich beispielsweise um –45°/+45°-Gelege und/oder um 0°/90°-Gelege handeln, welche – von unten nach oben betrachtet – jeweils um +45° gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer zweiten besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Vorformling 1 bis 10, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5 und ganz besonders bevorzugt 4 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte triaxiale Gelege. Dabei ist vorzugsweise jedes triaxiale Gelege aus drei miteinander vernähten Gelegeschichten aus jeweils Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der drei vernähten Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind und die einzelnen triaxialen Gelege nicht miteinander vernäht sind. Dadurch wird es erreicht, dass zwei Drittel aller Gelegeschichten des Vorformlings mit genau einer benachbarten Gelegeschicht vernäht sind, wohingegen ein Drittel aller Gelegeschichten des Vorformlings mit zwei benachbarten Gelegeschichten vernäht sind.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass der Vorformling bei dieser Ausführungsform zwei oder mehr mit Matrix imprägnierte triaxiale Gelege umfasst, und zwar bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5 und ganz besonders bevorzugt 4 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte triaxiale Gelege, wobei wenigstens zwei der triaxialen Gelege in Bezug auf das benachbarte triaxiale bzw. die benachbarten triaxialen Gelege winklig versetzt angeordnet sind und besonders bevorzugt alle der triaxialen Gelege in Bezug auf das benachbarte triaxiale bzw. die benachbarten triaxialen Gelege winklig versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit und der interlaminaren Scherfestigkeit – über die Oberfläche und den Querschnitt des Vorformlings und des daraus hergestellten Formteils gesehen – erreicht.
Vorzugsweise sind die einzelnen triaxialen Gelege rotationsymmetrisch winklig versetzt zueinander angeordnet, d. h. die einzelnen übereinander liegenden triaxialen Gelege sind jeweils gegenüber dem bzw. den benachbarten Gelegen mit einem konstanten Winkel zueinander versetzt angeordnet. Dabei ist der konstante Winkel vorzugsweise so gewählt, dass die Summe aller Winkel vorzugsweise mindestens 90°, insbesondere bevorzugt mindestens 180°, besonders bevorzugt wenigstens 225° und ganz besonders bevorzugt wenigstens 270° beträgt.
Gute Ergebnisse werden dabei in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit und der interlaminaren Scherfestigkeit – über die Oberfläche und den Querschnitt des Vorformlings gesehen – insbesondere erreicht, wenn die triaxialen Gelege so aufgebaut und so ausgerichtet sind, dass sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der miteinander vernähten Gelegeschichten der triaxialen Gelege in Bezug auf eine in der Ebene des jeweiligen Geleges liegende Referenzachse um 10° bis 170°, bevorzugt 30° bis 150°, besonders bevorzugt 60° bis 120° und ganz besonders bevorzugt 80° bis 100° voneinander unterscheiden und/oder sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings von benachbarten, miteinander nicht-vernähten Gelegeschichten verschiedener triaxialer Gelege in Bezug auf die Referenzachse um 10° bis 90°, bevorzugt 20° bis 80°, besonders bevorzugt 30° bis 70° und ganz besonders bevorzugt 40° bis 50° voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind bei dieser Ausführungsform 4 triaxiale Gelege übereinander liegend angeordnet, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der beiden in jedem triaxialen Gelege vorliegenden Gelegeschichten um jeweils 45° bzw. 90° winklig versetzt zueinander angeordnet sind und jedes triaxiale Gelege gegenüber dem benachbarten, darunter liegenden Gelege um +45° versetzt angeordnet ist. Bei den triaxialen Gelegen kann es sich beispielsweise um 0°/–45°/+45°-Gelege und/oder um 90°/–45°/+45°-Gelege handeln, welche – von unten nach oben betrachtet – jeweils um +45° gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer dritten besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Vorformling 1 bis 5, bevorzugt 2 bis 4 und besonders bevorzugt 3 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte quadraxiale Gelege. Dabei ist jedes quadraxiale Gelege aus vier miteinander vernähten Gelegeschichten aus jeweils Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der vier vernähten Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind und die einzelnen quadraxialen Gelege nicht miteinander vernäht sind.
Auch bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass der Vorformling zwei oder mehr mit Matrix imprägnierte quadraxiale Gelege umfasst, wobei wenigstens zwei dieser und besonders bevorzugt alle in Bezug auf das benachbarte bzw. die benachbarten Gelege winklig versetzt angeordnet sind. Vorzugsweise sind die einzelnen quadraxialen Gelege rotationsymmetrisch winklig versetzt zueinander angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der miteinander vernähten Gelegeschichten der quadraxialen Gelege in Bezug auf eine in der Ebene des jeweiligen Geleges liegende Referenzachse um 10° bis 170°, bevorzugt 30° bis 150°, besonders bevorzugt 60° bis 120° und ganz besonders bevorzugt 80° bis 100° voneinander unterscheiden und/oder sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings von benachbarten, miteinander nicht-vernähten Gelegeschichten verschiedener quadraxialer Gelege in Bezug auf die Referenzachse um 10° bis 90°, bevorzugt 20° bis 80°, besonders bevorzugt 30° bis 70° und ganz besonders bevorzugt 40° bis 50° voneinander unterscheiden.
Wie dargelegt, ist es ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorformlinge sowie der daraus hergestellten Formteile gegenüber solchen auf Basis von Carbonfasergewebe oder ähnlichen Strukturen, wie Carbonfasergewirken und Carbonfasergestricken, in einer Matrix aus Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid, dass die Carbonfaserrovings entsprechend dem bei der späteren Anwendung des Formteils auftretenden Lasteintragsprofil angeordnet werden können, also die Carbonfaserrovings so orientiert werden können, dass das Formteil speziell an den Stellen, an denen bei der Anwendung die höchsten Beanspruchungen bzw. Spannungen auftreten, eine besonders hohe mechanische Festigkeit aufweist, also die Fasern die Beanspruchungen bzw. Spannungen aufnehmen können. Insbesondere können Verzahnungen von Mitnehmerscheiben mit gezielten Ablegewinkeln und Dichten optimal mit Fasern verstärkt werden. Insbesondere können auch Anbindungspunkte für Floater und Nieten oder Mitnehmerbohrungen bereits bei dem Legen der Carbonfaserrovings berücksichtigt und von der Faserarchitektur optimal befüllt werden.
Die drei vorgenannten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere für Vorformlinge bevorzugt, welche zu Reibscheiben für Bremsen und insbesondere für Kupplungen in Kraftfahrzeugen und insbesondere in Rennsportwagen verarbeitet werden sollen.
Um bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Vorformlings eine besonders glatte Oberfläche zu erreichen und um bei den einzelnen Verfahrensschritten eine Verschmutzung einzelner Gelegeschichten zu vermeiden, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass der Vorformling eine oder zwei Deckschichten umfasst, wobei die Deckschicht(en) unterhalb und/oder oberhalb der äußersten Gelegeschicht(en) angeordnet ist/sind. Dabei kann die wenigstens eine Deckschicht aus jedem geeigneten Material bestehen und vorzugsweise aus Vlies, Filz, Gewebe, Gewirk und Gestrick, welche besonders bevorzugt aus Carbonfasern zusammengesetzt sind. Besonders bevorzugt ist die wenigstens eine Deckschicht ein Vlies und ganz besonders bevorzugt ein aus Carbonfasern zusammengesetztes Vlies.
Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung bezüglich des Carbonfasergehaltes nicht beschränkt, so dass dieser im Hinblick auf die gewünschten anwendungstechnischen Eigenschaften des Vorformlings bzw. des daraus hergestellten Formteils beliebig gewählt werden kann. Gute Ergebnisse werden insbesondere in dem Fall eines Vorformlings für Kupplungs- oder Bremsreibscheiben erzielt, wenn der Carbonfasergehalt bezogen auf das Gesamtgewicht des Vorformlings 20 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 70 Gew.-% und besonders bevorzugt 40 bis 60 Gew.-% beträgt.
Erfindungsgemäß ist die Matrix des Vorformlings aus Kohlenstoff, aus Siliciumcarbid, aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid oder aus Kohlenstoff, Silicium und Siliciumcarbid zusammengesetzt, worunter verstanden wird, dass die Matrix als Hauptbestandteil i) Kohlenstoff, ii) Siliciumcarbid, iii) Kohlenstoff und Siliciumcarbid oder iv) Kohlenstoff, Silicium und Siliciumcarbid enthält und daneben optional Füllstoffe und/oder Hilfsstoffe enthält, Verbundwerkstoffe mit einem solchen Matrixmaterial weisen besonders gute mechanische Eigenschaften und insbesondere eine hohe Härte auf, wie diese für Reibscheiben insbesondere zur Verwendung in einer Kupplung und/oder Bremse eines Kraftfahrzeugs benötigt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorformlings, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen von wenigstens zwei Gelegeschichten, welche jeweils aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut sind, und Anordnen der Gelegeschichten übereinander so, dass der bzw. die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings von wenigstens einer der wenigstens zwei Gelegeschichten winklig versetzt zu dem bzw. den Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings wenigstens einer anderen der wenigstens zwei Gelegeschichten angeordnet ist/sind,
b) Vernähen dieser wenigstens einen Gelegeschicht mit der wenigstens einen dazu winklig versetzt angeordneten anderen Gelegeschicht,
c) ggf. übereinander Anordnen von wenigstens zwei wie in den Schritten a) und b) hergestellten Aufbauten,
d) Imprägnieren des in dem Schritt b) oder Schritt c) hergestellten Aufbaus mit einem Matrixmaterial oder mit einem Matrixvorläufermaterial,
e) ggf. Härten des in dem Schritt d) hergestellten Vorformlings und
f) ggf. Durchführen einer Wärmebehandlung des in dem Schritt d) oder e) hergestellten Vorformlings.

Als Nähfaden können alle zum Vernähen eines Carbonfaserrovings und eines Stickgrunds geeigneten Fäden eingesetzt werden, beispielsweise solche aus Polyester oder aus Polyamid oder auch Aramide, thermisch stabilisiertes Polyacrylnitril und Carbonfasern. Dabei können der Oberfaden und der Unterfaden aus dem gleichen oder aus einem verschiedenen Material und aus gleichen oder verschiedenen Fadenstärken bestehen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, in dem Verfahrensschritt d) ein Matrixmaterial oder Matrixvorläufermaterial einzusetzen, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Pechen, Epoxidharzen, Phenolharzen, Vinylesterharzen, Polyesterharzen, Benzoxazinharzen, Novolaken, Cyanatesterharzen, Bismaleimidharzen, Bisoxazolinen oder Polymersilazanen besteht.
Aus diesen Materialien wird bei der in dem Verfahrensschritt f) durchgeführten Wärmebehandlung das Matrixmaterial hergestellt.
Anschließend wird vorzugsweise als Verfahrensschritt e) eine Härtung des mit dem Matrixmaterial bzw. Matrixvorläufermaterial imprägnierten Carbonfaser-Vorformlings durchgeführt.
Die beiden vorstehenden Verfahrensschritte d) und e), d. h. Imprägnieren mit Matrixmaterial bzw. Matrixvorläufermaterial und Härten, können durch jedes dem Fachmann bekannte Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise durch ein Harzinjektionsverfahren, welches auch RTM-(”resin transfermoulding”-)Verfahren genannt wird, durch ein Naßimprägnierverfahren oder durch die Verwendung von Trockenpulverharzen.
Alternativ dazu kann auch ein CVI-(”Chemical Vapour Infiltration-” bzw. ”chemisches Gasphaseninfiltration”)Verfahren eingesetzt werden, um eine Kohlenstoffmatrix, beispielsweise aus Pyrokohlenstoff, auszubilden.
Dabei wird das Härten in dem Verfahrensschritt e) vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 40 und 200°C und bei einem Druck zwischen 0,1 und 10 MPa, besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 60 und 180°C und bei einem Druck zwischen 0,1 und 1 MPa sowie ganz besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 120 und 180°C und bei einem Druck zwischen 0,1 und 0,5 MPa durchgeführt. Geeignete Härtezeiten betragen je nach Bauteilgröße und verwendetem Harzsystem bis zu drei Stunden, bevorzugt bis zu zwei Stunden, besonders bevorzugt bis zu einer Stunde und ganz besonders bevorzugt bis zu 15 Minuten.
Die bei der nachfolgenden optionalen Wärmebehandlung gemäß dem Verfahrensschritt f) eingestellte Temperatur hängt in erster Linie von dem in dem Verfahrensschritt d) eingesetzten Matrixmaterial bzw. Matrixvorläufermaterial ab. Wenn als Matrixvorläufermaterial ein zu Kohlenstoff carbonisierbares Material, wie Pech, Epoxidharz, Phenolharz, Vinylesterharz, Polyesterharz, Benzoxazinharz, ein Novolak, Cyanatesterharz, Bismaleimidharz oder Bisoxazolin eingesetzt wird, wird die Wärmebehandlung bevorzugt als Carbonisierung durchgeführt. Diese kann grundsätzlich bei jeder Temperatur durchgeführt werden, bei welcher eine Carbonisierung des eingesetzten Matrixvorläufers stattfindet. Gute Ergebnisse werden diesbezüglich insbesondere erhalten, wenn das Carbonisieren bei einer Temperatur zwischen 600 und 1.500°C, bevorzugt zwischen 800 und 1.200°C und besonders bevorzugt zwischen 850 und 950°C durchgeführt wird. Vorzugsweise wird das Carbonisieren unter einer Inertgasatmosphäre, wie beispielsweise unter einer Stickstoffatmosphäre bei Atmosphärendruck, durchgeführt.
Sofern in dem Verfahrensschritt d) ein Polymersilazan oder ein anderes Sihaltiges Precursorharzsystem eingesetzt wurde, wird die Wärmebehandlung gemäß dem Verfahrensschritt f) vorzugsweise als Silizieren durchgeführt, während dem sich das Polymersilazan zu Siliciumcarbid umwandelt. Die Silizierung wird dabei vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1.420 und 1.800°C, bevorzugt zwischen 1.500 und 1100°C und besonders bevorzugt zwischen 1.600 und 1.700°C durchgeführt, und zwar ganz besonders bevorzugt im Hochvakuum.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Formteil, insbesondere eine Reibscheibe für eine Kupplung oder eine Bremse eines Kraftfahrzeugs, welches aus dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorformling erhältlich ist.
Solche Formteile weisen ausgezeichnete mechanische und thermische Eigenschaften auf, wie eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe Biegefestigkeit, eine hohe Härte, eine ausgezeichnete thermische Beständigkeit sowie eine hervorragende Verschleißbeständigkeit, und zwar insbesondere auch – über die Oberfläche und den Querschnitt des Formteils gesehen – sehr gleichmäßig gute Eigenschaften, wie eine hohe und gleichmäßige Zugfestigkeit, eine hohe und gleichmäßige Biegefestigkeit, eine hohe und gleichmäßige interlaminare Scherfestigkeit, eine hohe und gleichmäßige Härte, eine ausgezeichnete und gleichmäßige thermische Beständigkeit sowie eine hervorragende und gleichmäßige Verschleißbeständigkeit. Zudem können diese Formteile vorteilhafterweise schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden, und zwar insbesondere auch in hohen Stückzahlen. Von besonderem Vorteil ist es, dass die Eigenschaften des Formteils im Hinblick auf die spätere Anwendung und des dabei auftretenden Lasteintragsprofils optimiert werden können. insbesondere weisen die erfindungsgemäßen Formteile eine extrem hohe Kantendruckfestigkeit und Schubfestigkeit auf, welche sehr viel höher sind als diejenigen von Formteilen auf Basis von carbonfasergewebeverstärkten Verbundwerkstoffen. Aus den vorstehenden Gründen eignet sich das erfindungsgemäße Formteil hervorragend zur Herstellung einer Reibscheibe zur Verwendung in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Kraftfahrzeugs und insbesondere auch zur Herstellung einer Reibscheibe zur Verwendung in einer Kupplung oder in einer Bremse eines Rennsportwagens.
Vorzugsweise beträgt der Carbonfasergehalt in dem erfindungsgemäßen Formteil 10 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 70 Gew.-% und besonders bevorzugt 40 bis 60 Gew.-%.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass das Formteil einen Siliciumcarbidgehalt von 10 bis 40 Gew.-%, bevorzugt von 15 bis 35 Gew.-% und besonders bevorzugt von 20 bis 30 Gew.-% aufweist.
Vorzugsweise beträgt die Dichte des fertigen Formköpers 1,7 bis 2,5 g/cm³, besonders bevorzugt 1,8 bis 2,3 g/cm³, ganz besonders bevorzugt 1,9 bis 2,2 g/cm³ und höchst bevorzugt 1,95 bis 2,15 g/cm³.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Formteils. Insbesondere wenn nicht bereits bei der Herstellung des Vorformlings ein Silizierschritt durchgeführt wurde, umfasst das Verfahren zum Herstellen des Formteils die nachfolgenden Schritte:

g) ein- oder mehrmaliges Nachverdichten des Vorformlings jeweils gefolgt von einer Carbonisierung,
h) ggf. Graphitieren des in dem Schritt g) erhaltenen Formteils und
i) Silizieren des in dem Schritt g) oder h) erhaltenen Formteils.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, das Nachverdichten in dem Verfahrensschritt g) bei einem Druck zwischen 1 und 3 bar durchzuführen. Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 1 bis 5 und besonders bevorzugt 1 bis 3 Nachverdichtungsschritte, jeweils gefolgt von einer Carbonisierung, durchgeführt, um in dem Formteil die für die nachfolgende Silizierung erforderliche Porenstruktur und die gewünschte Dichte des Formteils einzustellen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich herausgestellt, dass ein Nachverdichten vor dem Silizieren das Silizierungsverfahren verbessert und zu einer höheren Festigkeit des Formteils führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Formteil nach dem Verfahrensschritt g) graphitiert, und zwar bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 1.800 und 3.000°C und besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 1.800 und 2.000°C. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich herausgestellt, dass ein Graphitieren vor dem Silizieren das Silizierungsverhahlten verbessert und zu einer höheren Festigkeit des Formteils führt.
Das Silizieren gemäß dem Verfahrensschritt i) kann grundsätzlich auf jede dem Fachmann bekannte Weise durchgeführt werden. Gute Ergebnisse werden hierbei insbesondere erreicht, wenn der Verfahrensschritt i) durch Flüssig-Vakuum-Silizierung erfolgt, d. h. das Formteil unter Vakuum bei hohen Temperaturen mit flüssigem Silicium imprägniert wird. Dabei wandelt sich der in der Matrix enthaltene Kohlenstoff mit dem schmelzflüssigen Silicium zu Siliciumcarbid um. Die Silizierung wird dabei vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1.420 und 1.800°C, bevorzugt zwischen 1.500 und 1.700°C und besonders bevorzugt zwischen 1.600 und 1.700°C durchgeführt, und zwar ganz besonders bevorzugt im Hochvakuum.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des zuvor beschriebenen Vorformlings zur Herstellung eines Formteils, insbesondere einer Reibscheibe.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des zuvor beschriebenen Formteils als Reibscheibe in einer Kupplung und/oder Bremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Rennsportwagens. Dabei kann die Reibscheibe aus dem erfindungsgemäßen Formkörper bestehen. Alternativ dazu ist es auch möglich, den erfindungsgemäßen Formkörper als Tragkörper der Reibscheibe zu verwenden und auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Tragkörpers bekannte Reibschichten aufzubringen und damit zu verbinden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen weiter beschrieben.
Beispiel 1
Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren wurde ein Tragkörper für eine Kupplungsreibscheibe mit 165 mm Außendurchmesser und mit einer Dicke von 5 mm hergestellt.
Zunächst wurden in einer Multiaxial-Legemaschine der Firma SGL Kümpers GmbH & Co. KG mehrere 50k-Carbonfaserrovings SIGRAFIL C^® C30 der Firma SGL Carbon SE in zwei Gelegeschichten bzw. -lagen direkt von Spulen abgerollt und mit Polyesternähfäden miteinander zu –45°/+45°-biaxialen Gelegen mit einem Flächengewicht von jeweils 200 g/m² pro Lage vernäht. Um eine besonders glatte Oberfläche zu erhalten, wurde die unterste Lage des späteren biaxialen Geleges auf eine Deckschicht aus Carbonfaservlies abgelegt, um eine Verschmutzung einzelner Gelegeschichten zu vermeiden.
Ein Foto dieses Bauteils ist in der 1 gezeigt.
Sechs der so hergestellten biaxialen Gelege mit einer Dicke von jeweils 1,2 mm wurden übereinander gelegt, wobei jedes biaxiale Gelege in Bezug auf das darunter liegende biaxiale Gelege in einem Winkel von +45° versetzt angeordnet wurde, um ein ca. 7 mm dicken Gelegeaufbau zu erhalten.
Ein Foto dieses Bauteils ist in der 2 gezeigt.
Anschließend wurde dieser Aufbau mit einem Phenolharz Prefere^® der Firma Dynea imprägniert und in einer beheizten Presse für 20 Minuten bei 1 bar Druck und 170°C ausgehärtet. Dabei erfolgte eine Komprimierung der Gelegeaufbauten um 0,3 bis 0,5 mm.
Ein Foto dieses Bauteils ist in der 3 gezeigt.
Anschließend wurde der so hergestellte Vorformling unter Stickstoffatmosphäre bei 900°C carbonisert. Anschließend wurden zwei Nachverdichtungsschritte mit Phenolharz Prefere^® der Firma Dynea jeweils gefolgt von einer erneuten Carbonisierung unter Stickstoffatmosphäre bei 900°C durchgeführt, bevor das so erhaltene Bauteil bei einer Temperatur von 1.800°C unter einer Stickstoffatmosphäre graphitiert wurde.
Nach der mechanischen Bearbeitung des CFC-Körpers wurde eine Vakuum-Flüssig-Silizierung bei 1.680°C und 0,5 mbar durchgeführt, bei welcher das CFC-Bauteil über poröse Kohlenstoff-Dochte mit flüssigem Silicium imprägniert wurde. Die Dauer des Silizierprozesses betrug hierbei 24 Stunden.
Es wurde ein kreisringförmiges Formteil mit einem Außendurchmesser von 165 mm und mit einer Dicke von 5 mm erhalten, welches eine Dichte von 2,05 g/cm³ aufwies. Nach der mechanischer Bearbeitung auf Endmaß zeichnete sich dieses Formteil durch eine rotatorische Berstfestigkeit von 40.000 U/min sowie durch eine Torsionsfestigkeit von 1,500 Nm aus.
Ein Foto dieses Bauteils ist in der 4 gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10164229 A1 [0006]
EP 1154970 B1 [0008, 0015]

Claims

Vorformling aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, welcher wenigstens zwei übereinander liegend angeordnete und jeweils mit Matrix imprägnierte Gelegeschichten umfasst, wobei die wenigstens zwei Gelegeschichten jeweils aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut sind, wobei wenigstens eine der wenigstens zwei Gelegeschichten mit wenigstens einer anderen der wenigstens zwei Gelegeschichten vernäht ist und der bzw. die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings dieser wenigstens einen der wenigstens zwei Gelegeschichten winklig versetzt zu dem bzw. den Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der damit vernähten Gelegeschicht(en) angeordnet ist/sind, und, wobei die Matrix aus Kohlenstoff, aus Siliciumcarbid, aus Kohlenstoff und Siliciumcarbid oder aus Kohlenstoff, Silicium und Siliciumcarbid zusammengesetzt ist.
Vorformling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gelegeschichten und bevorzugt alle Gelegeschichten ein Flächengewicht von 50 bis 500 g/m², bevorzugt von 100 bis 300 g/m², besonders bevorzugt von 150 bis 250 g/m² und ganz besonders bevorzugt von 175 bis 225 g/m² aufweisen.
Vorformling nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 2 bis 50, bevorzugt 3 bis 40, besonders bevorzugt 4 bis 30, ganz besonders bevorzugt 5 bis 20 und höchst bevorzugt 10 bis 15 mit Matrix imprägnierte Gelegeschichten umfasst, welche bevorzugt alle aus in einer Matrix eingebetteten Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings zusammengesetzt sind.
Vorformling nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle der Gelegeschichten übereinander liegend angeordnet sind und jede der Gelegeschichten mit wenigstens einer benachbarten Gelegeschicht vernäht ist.
Vorformling nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1 bis 20, bevorzugt 2 bis 10, insbesondere bevorzugt 3 bis 9, besonders bevorzugt 4 bis 8, ganz besonders bevorzugt 5 bis 7 und höchst bevorzugt 6 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte biaxiale Gelege umfasst, wobei jedes biaxiale Gelege aus zwei miteinander vernähten Gelegeschichten aus jeweils Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut ist, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der beiden vernähten Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind und die einzelnen biaxialen Gelege nicht miteinander vernäht sind.
Vorformling nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 2 bis 10, bevorzugt 3 bis 9, besonders bevorzugt 4 bis 8, ganz besonders bevorzugt 5 bis 7 und höchst bevorzugt 6 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte biaxiale Gelege umfasst, wobei jedes der biaxialen Gelege in Bezug auf das benachbarte biaxiale bzw. die benachbarten biaxialen Gelege winklig versetzt angeordnet ist.
Vorformling nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die biaxialen Gelege so aufgebaut und so ausgerichtet sind, dass sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der miteinander vernähten Gelegeschichten der biaxialen Gelege in Bezug auf eine in der Ebene des jeweiligen Geleges liegende Referenzachse um 10° bis 170°, bevorzugt 30° bis 150°, besonders bevorzugt 60° bis 120° und ganz besonders bevorzugt 80° bis 100° voneinander unterscheiden und sich die Winkel der Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings von benachbarten, miteinander nicht-vernähten Gelegeschichten verschiedener biaxialer Gelege in Bezug auf die Referenzachse um 10° bis 90°, bevorzugt 20° bis 80°, besonders bevorzugt 30° bis 70° und ganz besonders bevorzugt 40° bis 50° voneinander unterscheiden.
Vorformling nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 1 bis 10, bevorzugt 2 bis 6, besonders bevorzugt 3 bis 5 und ganz besonders bevorzugt 4 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte triaxiale Gelege umfasst, wobei jedes triaxiale Gelege aus drei miteinander vernähten Gelegeschichten aus jeweils Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut ist, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der drei vernähten Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind und die einzelnen tiaxialen Gelege nicht miteinander vernäht sind, und/oder dieser 1 bis 5, bevorzugt 2 bis 4 und besonders bevorzugt 3 übereinander liegend angeordnete und mit Matrix imprägnierte quadraxiale Gelege umfasst, wobei jedes quadraxiale Gelege aus vier miteinander vernähten Gelegeschichten aus jeweils Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut ist, wobei die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings der vier vernähten Gelegeschichten winklig versetzt zueinander angeordnet sind und die einzelnen quadraxialen Gelege nicht miteinander vernäht sind.
Verfahren zum Herstellen eines Vorformlings nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen von wenigstens zwei Gelegeschichten, welche jeweils aus Carbonfaserroving und/oder Siliciumcarbidfaserroving aufgebaut sind, und Anordnen der Gelegeschichten übereinander so, dass der bzw. die Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings von wenigstens einer der wenigstens zwei Gelegeschichten winklig versetzt zu dem bzw. den Carbonfaserrovings und/oder Siliciumcarbidfaserrovings wenigstens einer anderen der wenigstens zwei Gelegeschichten angeordnet ist/sind, b) Vernähen dieser wenigstens einen Gelegeschicht mit der wenigstens einen dazu winklig versetzt angeordneten anderen Gelegeschicht, c) ggf. übereinander Anordnen von wenigstens zwei wie in den Schritten a) und b) hergestellten Aufbauten, d) Imprägnieren des in dem Schritt b) oder Schritt c) hergestellten Aufbaus mit einem Matrixmaterial oder mit einem Matrixvorläufermaterial, e) ggf. Härten des in dem Schritt d) hergestellten Vorformlings und f) ggf. Durchführen einer Wärmebehandlung des in dem Schritt d) oder e) hergestellten Vorformlings.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten in dem Schritt e) bei einer Temperatur zwischen 40 und 200°C und bei einem Druck zwischen 0,1 und 10 MPa, bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 60 und 180°C und bei einem Druck zwischen 0,1 und 1 MPa und besonders bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 120 und 180°C und bei einem Druck zwischen 0,1 und 0,5 MPa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung in dem Schritt f) als Carbonisieren bei einer Temperatur zwischen 600 und 1.500°C, bevorzugt zwischen 800 und 1.200°C und besonders bevorzugt zwischen 850 und 950°C durchgeführt wird oder die Wärmebehandlung in dem Schritt f) als Silizieren bei einer Temperatur zwischen 1.420 und 1.800°C, bevorzugt zwischen 1.500 und 1.700°C und besonders bevorzugt zwischen 1.600 und 1.700°C vorzugsweise im Hochvakuum durchgeführt wird.
Formteil, insbesondere Reibscheibe für eine Kupplung oder eine Bremse eines Kraftfahrzeugs, erhältlich aus einem Vorformling nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zum Herstellen eines Formteils nach Anspruch 12, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: g) ein- oder mehrmaliges Nachverdichten eines Vorformlings nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 ggf. jeweils gefolgt von einer Carbonisierung, h) ggf. Graphitieren des in dem Schritt g) erhaltenen Formteils und i) Silizieren des in dem Schritt g) oder h) erhaltenen Formteils.
Verwendung eines Vorformlings nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung eines Formteils, insbesondere einer Reibscheibe.
Verwendung eines Formteils nach Anspruch 12 als Reibscheibe in einer Kupplung und/oder Bremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Rennsportwagens.