DE102013016735A1

DE102013016735A1 - Temperaturbeständige Faserverbundwerkstoffe mit anpassbaren thermischen Eigenschaften und ihre Anwendung

Info

Publication number: DE102013016735A1
Application number: DE201310016735
Authority: DE
Inventors: Anja Glisovic; Joshua Gravely; Steve Gravely
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf temperaturbeständige Faserverbundwerkstoffe mit anpassbaren thermischen Eigenschaften, insbesondere der Wärmeleitfähigkeit und des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Anwendung in Kompositläufen. Die Faserverbundwerkstoffe besitzen keramische Matrizen auf der Basis von Zement, Gips und Wasserglas und ebenfalls temperaturstabile Fasern, insbesondere Basalt, Glas- und Kohlefasern. Durch Zuschläge auf der Basis von Diamant, Bornitrid, Kohlenstoffnanoröhrchen, Siliciumcarbid, Graphit, Graphene, Graphene Nanoplättchen, aber hoch leitfähige Metall wie Gold, Silber, Platin, Rhodium, Kupfer oder Aluminium bzw. entsprechend leitfähige Legierungen und Metal-Matrix-Verbindungen werden thermische Leitfähigkeiten von der Größenordnung von Metallen erreicht. Diese Kombination ermöglicht es gewickelte Kompositläufe herzustellen, welche im Vergleich zu konventionellen Läufen ein reduziertes Gewicht haben können und im Gegensatz zu Kompositläufen auf der Basis von Kunstharzen auch für thermisch hochbelastete Läufe, wie in voll- und halbautomatischen Waffen und Mörsern, verwendbar sind.

Description

Gegenwertig werden Faserverbundwerkstoffe hauptsächlich auf der Basis von Glas- oder Kohlefasern und Epoxid- oder Polyesterharzen hergestellt. Alternativ können auch Polyethylenefasern (UHMWPE), Aramid und Fasermischgewebe Verwendung finden. Gemeinsam ist allen diesen Systemen, dass ihre Matrizes auf organischen Kunstharzen basieren und sich entsprechend nicht für den dauerhaften Einsatz bei Temperaturen oberhalb von 100°C geschweige denn oberhalb von 200°C eignen. In diesen Temperaturbereichen tritt sehr schnell eine thermische Degradation der Matrizes und der Polymerfasern ein, welche zu einer Ermüdung des Kompositwerkstoffes und der Schwächung des Bauteils führt. Zwar gibt es thermisch stabile Faserverbundwerkstoffe auf der Basis oxidischer Keramiken wie in Patent WO 2003045874 A2 und DE 19826792 C2 . Allerdings besitzen diese, genau wie die vorher genannten Faserverbundwerkstoffe einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizient, welcher insbesondere eine Kombination mit Metallen problematisch macht, da ein Temperaturanstieg zu Spannungen innerhalb des Bauteils führt. Auch besitzen sie eine relativ geringe Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, so dass sie als Isolatoren wirken. Dies erlaubt es beispielsweise nicht Läufe für manuelle, voll- und halbautomatische Waffen auf der Basis von Faserverbundwerkstoffen in Kombination mit einem metallischen Laufkernen herzustellen, wie z. B. in den Patenten CA 2284893 C und WO 2011146144 A2 dargestellt. Bei hohen Schussfolgen heizen sich die Läufe zu stark auf, sie beginnen sich zu Verziehen und die Kunstharze des Faserverbundwicklung degradieren. Auch kann die Abwärme der Läufe durch die geringe thermische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoffe, nur schlecht an die an die Umgebung abgegeben werden. Die passive Kühlung ist herabgesetzt, die Läufe können deformieren.
All diese Probleme werden durch die hier vorgestellten Faserverbundwerkstoffe umgangen und erlauben somit die Herstellung leichter Läufe insbesondere, aber nicht ausschließlich für voll- und halbautomatische Waffen. Die Faserverbundwerkstoffe basieren auf mineralischen Fasern wie Glasfasern und insbesondere Basaltfasern, aber auch Kohlefasern können eingesetzt werden. Diesen Fasern ist gemeinsam, dass sie bis 700°C nicht an mechanischer Stabilität, insbesondere Zugfestigkeit verlieren, dies unterscheidet sie von Polymerfasern wie UHMWPE, Aramid und Nylonfasern. Für den Einsatz sind besonders Basaltfasern geeignet, da sie durch ihre keramische Natur besonders prädestiniert sind um mit den keramischen und siliziumbasierten Bindern die qualitativ hochwertigen Grenzschicht Bindungen auszubilden, welche für einen optimalen Faserverbundwerkstoff notwendig sind. Auch haben sie mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizient von 6 ppm/K eine Wärmeausdehnung von etwa der gleichen Größenordnung wie Metalle, so dass die Matrix nicht zu starke thermische Spannungen ausgleichen muss. Die Matrizes der vorgestellten Faserverbundwerkstoffe basieren hauptsächlich auf chemisch bindenden Keramiken, insbesondere Zementen, Gips, Wasserglass und deren Mischungen, welche verschiedene Zuschläge zur Einstellung von Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Steifigkeit enthalten.
Die Zugschläge zur Einstellung von Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Steifigkeit können auch mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen und zeichnen sich dadurch aus, dass sie thermisch mindestens 300°C besser noch bis 700°C stabil sind und in diesem Temperaturbereich auch Phasenübergänge haben können aber nicht müssen. Zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit sind insbesondere nichtmetallische Verbindungen mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 20 und 9000 W/m·K geeignet, wie Diamant, Bornitrid, Kohlenstoffnanoröhrchen, Siliciumcarbid, Graphit, Graphene, Graphene Nanoplättchen, aber hoch leitfähige Metall wie Gold, Silber, Platin, Rhodium, Kupfer oder Aluminium bzw. entsprechend leitfähige Legierungen und Metal-Matrix-Verbindungen dieser Materialien geeignet. Diese Zuschläge sollten sich in einem Bereich zwischen 1 bis 90 Gewichtsprozent und Volumenprozent bewegen, bevorzugt allerdings im Bereich von 2–20 Volumenprozent liegen. Hierbei sind besonders Materialformen mit einem hohen Aspektverhältnis von mindesten 1:5 (Breite/Durchmesser zu Länge), besser jedoch 1:50 und insbesondere über 1:50 zu bevorzugen, also Fasern und Whisker wie Kokhlenstoffnanoröhrchen und Siliciumcarbidwhisker, da diese durch Überlappung leichter in der Lage sind Wärmebrücken zu bilden.
Zur Einstellung der thermischen Ausdehnung dienen insbesondere Calciumcarbonat und Calciumoxid in kristalliner, teilkristalliner oder amorpher Form wie auch Alumosilikatverbindung, wie z. B. aber nicht ausschließlich Feldspäte, in eben diesen Formen. Wobei die Zuschläge zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit bevorzugt als Pulver mit einer Korngröße von nicht mehr als 100 μm, bevorzugt unter 100 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 0.05 μm vorliegen. Im Gegensatz zu den Zuschlägen zur Einstellung der thermischen Leitfähigkeit können die Zuschläge für die thermische Ausdehnung ein niedriges Aspektverhältnis haben. Bornitrid kann diesem Zusammenhang gleichzeitig als Zuschlag zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit und des thermischen Ausdehnungskoeffizienten dienen.
Die Faserverbundwerkstoffe sollten ein Faservolumen 10 und 90 Volumenprozent, bevorzugt jedoch zwischen 35% und 65% vol. und idealerweise um 50% aufweisen. Entsprechend dem angestrebten Faseranteil, welcher die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zugfestigkeit, des Materials maßgeblich bestimmt, müssen die Eigenschaften der Matrix entsprechend angepasst werden um in Kombination die gewünschten Materialeigenschaften des Komposits zu erreichen. Beispielsweise soll die gesamt Wärmeleitfähigkeit des Komposits bei 20 W/m·K liegen und der Anteil von Basalfasern (1,16 W/m·K) bei 50% vol., dann muss die Matrix mindestens eine Wärmeleitfähigkeit von 40 W/m·K aufweisen, um dies zu ermöglichen. Am Ende der Beschreibung sind Beispiele von Matrixmischungen und den Eigenschaften der entsprechenden Faserverbundwerkstoffe gegeben.
Kompositläufe, die aus den beschriebenen thermisch stabilen und wärmeleitenden Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, haben keine der Nachteil der bisher hergestellten Kompositläufe, welche durch die geringe thermische Belastbarkeit nicht für halb- und vollautomatische Waffen oder auch thermisch hochbelastete nicht automatische Waffen, wie Mörser, geeignet sind. Gleichzeitig bewahren sie die ähnliche Vorteile wie konventionelle Kompositläufe, insbesondere das reduzierte Gewicht. Die vorgestellten Faserverbundwerkstoffe sind temperaturbeständig über 100°C, besitzen eine spezifische Zugfestigkeit zwischen 130 und 370 kN·m/kg, Wärmeleitfähigkeiten zwischen 20 und 80 W/m·K und lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 9 und 13 ppm/K. Typische Stähle von Läufen besitzen eine spezifische Zugfestigkeit um 150 kN·m/kg und einen linear Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen 10–12 ppm/K. Betrachtet man einen der Beispielhaft gegebenen Faserverbundwerkstoffen mit 50% vol. Basaltfasern, 50% Matrix (85% vol. Portland Zement, 5% vol. Calciumcarbonat, 10% vol. Kohlenstoffnanoröhrchen) mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizient von 11 W/m·K, einer Dichte von 2,60 g/cm³ und einer spezifische Zugfestigkeit 220 kN·m/kg, so ermöglicht dies die Herstellung eines Laufes mit einem auf 68% reduzierten Gewicht, wenn der gesamte Lauf aus diesem Material hergestellt wird. Dies wäre zwar im Falle eines Mörser oder einer Flinte theoretisch möglich, da aber für den Zug des Laufes ein metallischer Kern nötig ist gibt dieser Wert die maximal mögliche Gewichtsreduktion an. Realistisch betrachtet hängt die Gewichtsreduktion von dem Verhältnis von Laufkern zu Wicklung ab und liegt normalerweise zwischen 25 und 15%.
Da die Dichte des Faserverbundmaterials niedriger ist, 2,60 g/cm³ im Vergleich zu 7,85 g/cm³, ist der Durchmesser des Laufes erhöht in Relation zu einem Stahllauf. Diese Erhöhung des Durchmessers mündet direkt in einem erhöhten Flächenträgheitsmoment, welches bei entsprechendem Elastizitätsmodul des Verbundwerkstoffes die Steifigkeit erhöht und so präzisiere Schüsse und Schussfolgen ermöglicht. Gleichzeitig erlaubt die thermische Leitfähigkeit eine effiziente Kühlung des Systems und verhindert einen Hitzestau. Insbesondere erlauben die eingesetzten, hauptsächlich keramischen und mineralischen Bestandteile der Faserverbundmaterialien und der Kompositläufe hohe Betriebstemperaturen und Feuerraten, welche einen Einsatz von Faserverbundläufen in halb- und vollautomatischen Waffen (Gewehre, Mörser und Kanonen etc.) erstmals ermöglichen. Um unter diesen Einsatzbedingung die passive Kühlung durch Wärmeabgabe an die Umgebung zu optimieren können die Läufe außen mit einer Oberflächenstruktur versehen werden, welche das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der Läufe zu einer größeren Oberfläche hin verschiebt, so das die passive Kühlung durch Wärmeabgabe an das umgebende Medium (Gas, Luft, Wasser etc.) verbessert wird. Alternativ kann ein Mantel um den gewickelten Lauf gegeben werden, welcher die gleiche oder höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als die Faserverbundwerkstoffe und ebenfalls eine Oberflächenstruktur zur verbesserten Kühlung aufweisen kann (vulgo Kühlrippen).
Beispiele
Entsprechend obigen Ausführungen muss die Matrix den Fasern und dem Faseranteil auf angepasst werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die im Folgenden angegebenen Mischungen beziehen sich auf 50% Faseranteil und stehen nur exemplarisch für mögliche Materialeigenschaften.
Standard Matrix, wärmeleitend

85% vol. Portland Zement, 5% vol. Gips, 10% vol. Kohlenstoffnanoröhrchen
Wärmeleitfähigkeit ≈ 67 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 9 ppm/K

Matrix, wärmeleitend mi erhöhter thermischer Ausdehnung

85% vol. Portland Zement, 10% vol. Bornitrid, 5% vol. Kohlenstoffnanoröhrchen
Wärmeleitfähigkeit ≈ 78 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 11

Matrix, wärmeleitend, thermische Ausdehnung erhöht

85% vol. Portland Zement, 5% vol. Calciumcarbonat, 10% vol. Kohlenstoffnanoröhrchen
Wärmeleitfähigkeit ≈ 67 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 12,5

Glas-Zement Matrix, wärmeleitend

55% Portland Zement, 35% Wasserglas, 10% vol. Kohlenstoffnanoröhrchen
Wärmeleitfähigkeit ≈ 67 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 6

Standard Faserverbundwerkstoff (50% Basaltfasern, 50% Standard Matrix)

Wärmeleitfähigkeit ≈ 67 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 9
Dichte ≈ 2.55 g/cm³
Spezifische Zugfestigkeit = 130–370 kN·m/kg (je nach Basaltfaser)

Standard Faserverbundwerkstoff (50% Basaltfasern, 50% Matrix II)

Wärmeleitfähigkeit ≈ 67 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 11
Dichte ≈ 2.60 g/cm³
Spezifische Zugfestigkeit = 160–210 kN·m/kg (je nach Basaltfaser)

SiC-Whisker Faserverbundwerkstoff, wärmeleitend

40% vol. Basaltfasern, 42% vol. Silicziumcarbid Whisker und 18% vol. Glas-Zement Matrix (ohne CNTs)
Wärmeleitfähigkeit ≈ 40 W/m·K
Wärmeausdehnungkoeffizient ≈ 7
Dichte ≈ 2.7 g/cm³

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

WO 2003045874 A2 [0001]
DE 19826792 C2 [0001]
CA 2284893 C [0001]
WO 2011146144 A2 [0001]

Claims

Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass sie aus temperaturstabilen Verbindungen bestehen und dauerhaft bei Temperaturen über 100°C insbesondere bei Temperaturen über 200°C eingesetzt werden können.
Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen elastischen Moduls von 60 bis 200 GPa besitzen und bevorzugt zwischen 70 und 130 GPa und bevorzugt eine spezifische Zugfestigkeit zwischen 3 und 5 GPa aufweisen.
Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass ihre Matrix auf mineralischen Bindemitteln basiert, insbesondere hydraulische Binder auf der Basis von Gips, Zement, Wasserglas und Mischungen dieser Materialien bestehen.
Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix Zuschläge enthält, welche ein erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Matrix von der gleichen Größenordnung wie Metalle erlauben, bevorzugt zwischen 5 und 500 W/m·K liegen und insbesondere im Bereich von 20–100 W/m·K.
Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschläge andere Funktionen neben der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erfüllen können, wie erhöhte Steifigkeit, insbesondere eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit der Matrix oder auch eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit.
Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass diese eine spezifische Wärmekapazität gleich oder größer der von Metallen ist und ihre spezifische Zugfestigkeit (aus spezifische Reißfestigkeit genannt) zwischen 80 und 1000 kN·m/K, bevorzugt aber zwischen 130 und 370 kN·m/K liegt.
Temperaturbeständige Faserverbundwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Zugfestigkeit größer gleich der von Metalllegierungen insbesondere Stählen und Nickellegierungen ist.
Faserverbundwerkstoffe zur Herstellung von Laufsystemen dadurch gekennzeichnet, dass es für Büchsen, Flinten, Kanonen und Mörser geeignet ist, insbesondere, aber nicht ausschließlich für halb- und vollautomatische Waffen.
Faserverbundwerkstoffe dadurch gekennzeichnet, dass ihre linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ähnlicher oder gleicher Größenordnung sind wie der von Metalllegierungen, insbesondere das diese zwischen 5–50 ppm/K liegen und bevorzugt zwischen 10–30 ppm/K.
Läufe auf der Basis von Faserverbundwerkstoffen (Kompositläufe) mit den in Anspruch 1 bis 9 genannten Eigenschaften, welche dauerhaft über 100°C eingesetzt werden können und insbesondere für halb- und vollautomatische Waffen geeignet sind.
Kompositläufe dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung aus Faserverbundwerkstoffen nicht thermisch isolierend wirken und eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 5 und 300 W/m·K aufweisen, bevorzugt aber zwischen 20 und 100 W/m·K haben, entsprechend den in Anspruch 1 bis 9 genannten Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe.
Kompositläufe dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Zugfestigkeit der eingesetzten Faserverbundwerkstoffe zwischen 80 und 1000 kN·m/K, bevorzugt aber zwischen 150 und 350 kN·m/K liegt.
Kompositläufe dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem metallischen oder metall-keramik Kern mit Laufbohrung bestehen und mit einem Faserverbundwerkstoff mit den in Anspruch 1 bis 9 und 11 und 12 beschrieben Eigenschaften umwickelt sind.
Kompositläufe dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten von metallische Laufkern und Faserverbundwerkstoff in der gleichen Größenordnung, insbesondere zwischen 5 und 20 ppm/K, liegen.
Kompositläufe dadurch gekennzeichnet, dass sie leichter als vergleichbare metallische Läufe sein können.