DE102013016854A1

DE102013016854A1 - Faserverbund-Halbzeug und Verfahren zum Herstellen von Faserverbundhalbzeugen

Info

Publication number: DE102013016854A1
Application number: DE201310016854
Authority: DE
Inventors: Christian Metzner; Uwe Beier
Original assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH; Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Faserverbund-Halbzeug (14) sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Faserverbund-Halbzeugs (14), mit dem ein Faserverbundbauteil (12) durch Infiltration mit einem Matrixmaterial (16) erzeugt werden kann. Das Faserverbund-Halbzeug (14) weist eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (18) zum Verstärken des zu erzeugenden Faserverbundbauteils (12) sowie Abbindehilfen (20) zum Stabilisieren der Position der Verstärkungsfasern (18) in dem Faserverbund-Halbzeug (14) auf. Die Abbindehilfen (20) weisen eine Metallbeschichtung (28) an ihrer Oberfläche (26) auf.

Description

Die Erfindung betrifft Faserverbund-Halbzeuge zum Erzeugen von Faserverbundbauteilen sowie Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Halbzeugen.
Zur Herstellung von Faserverbund-Halbzeugen ist es bekannt, Fäden bzw. Fasern, die in dem Faserverbund-Halbzeug bzw. die im zu erzeugenden Faserverbundbauteil als Verstärkungsfasern wirken sollen, mittels textiler Techniken derart anzuordnen, dass zumindest eine annähernd ähnliche Kontur des zu erzeugenden Faserverbundbauteils entsteht. Dies kann mittels Flechttechnik, Legetechnik oder Webtechnik erfolgen. Es entsteht eine Preform, die in einem nachfolgenden Verfahren mit Matrixmaterial infiltriert wird, um so das gewünschte Faserverbundbauteil herstellen zu können.
Flechtverfahren zur Erzeugung von Preformen aus Verstärkungsfasern sind beispielsweise in DE 10 2009 032 005 A1 und DE 10 2008 052 668 A1 beschrieben.
Bei allen genannten textilen Herstellungsprozessen ist es bekannt, die textilen Gebilde zu stabilisieren, indem zusätzlich zu den Verstärkungsfasern Garne, beispielsweise aus Nylon (PA, Polyamid) oder Polyester (PET, Polyethylenterphthalat)), in das Geflecht/Gewebe/Gelege eingebracht werden. Dies ist beispielsweise aus DE 10 2004 017 311 A1 bekannt.
Alternativ zu Garnen, die einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen, ist es beispielsweise aus der noch nicht veröffentlichten europäischen Patentanmeldung „Folienbändchen zur Verwendung in einem Faserverbund-Halbzeug, Faserverbund-Halbzeug und Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Halbzeugs” bekannt, statt der Garne Folienbändchen mit einem flacheren, länglichen Querschnitt zu verwenden.
Insbesondere bei Verwendung der erzeugten Faserverbundbauteile in der Luftfahrttechnik ist es von Vorteil, wenn das Faserverbundbauteil eine gewisse Schadenstoleranz und elektrische Leitfähigkeit aufweist. Aufgrund der Verwendung von nicht leitfähiger Matrix bei der Infiltration der Faserverbund-Halbzeugen ist die Erreichung dieser Ziele jedoch schwierig. Es wurde daher bislang vorgeschlagen, zur Verbesserung der Schadenstoleranz thermoplastische Vliese, die zumeist aus PA gebildet sind, in die Zwischenschichten einzubringen. Dies ist beispielsweise in EP 1 473 132 A2 beschrieben. Um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, können diese Vliese mit elektrisch leitfähigen Schichten beschichtet werden, wie beispielsweise in US 2010 026 4266 A1 offenbart.
13 zeigt ein solches Vlies 2, das aus Polyetherimid-Fasern 4 aufgebaut ist und in einem ersten Bereich 6 mit einer leitfähigen Schicht 8, in diesem Fall Kupfer 10, versehen ist.
Wird dieses derart modifizierte Vlies 2 als Zwischenschicht in ein Faserverbund-Halbzeug eingebaut, kann sowohl die Schadenstoleranz als auch die elektrische Leitfähigkeit des daraus erzeugten Faserverbundbauteils verbessert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit und der Schadenstoleranz des daraus zu erzeugenden Faserverbundbauteils verbessertes Faserverbund-Halbzeug sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen Faserverbund-Halbzeuges vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch ein Faserverbund-Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbund-Halbzeugen ist Gegenstand des Nebenanspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Faserverbund-Halbzeug zum Erzeugen eines Faserverbundbauteils durch Infiltration mit einem Matrixmaterial weist eine Vielzahl von Verstärkungsfasern zum Verstärken des zu erzeugenden Faserverbundbauteils sowie Abbindehilfen zum Stabilisieren der Position der Verstärkungsfasern in den Faserverbund-Halbzeugen auf. Die Abbindehilfen weisen eine Metallbeschichtung an ihrer Oberfläche auf.
Die Verstärkungsfasern in dem Faserverbund-Halbzeug, die später gemeinsam mit dem Matrixmaterial das zu erzeugende Faserverbundbauteil bilden, werden durch die Abbindehilfen in dem Faserverbund-Halbzeug, das bevorzugt mit textilen Herstellungsverfahren erzeugt wird, in ihrer Position gehalten, bis das Faserverbund-Halbzeug mit dem Matrixmaterial infiltriert und ausgehärtet worden ist. So ist es möglich, dass bereits das Faserverbund-Halbzeug vorzugsweise zumindest annähernd die abschließende äußere Gestalt des zu erzeugenden Faserverbundbauteils aufweist, und diese Form nicht verliert, da die Verstärkungsfasern mit den Abbindehilfen in der gewünschten Position gehalten werden.
Sind nun die Abbindehilfen an ihrer Oberfläche mit einer Metallbeschichtung versehen, resultiert in dem gesamten Faserverbund-Halbzeug eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit über die Metallbeschichtung und zusätzlich verbessern sich die mechanischen Kennwerte hinsichtlich der Schadenstoleranz.
Denn einerseits verhindert die Metallbeschichtung vorteilhaft ein sogenanntes ”wash-out”, bei dem sich die Abbindehilfen während der Infusion in den zumeist auf Epoxid basierenden Harzsystemen auflösen und so zu einer inhomogenen Binderverteilung führen, andererseits verbessert sich durch die Metallbeschichtung die Anbindung der Abbindehilfe an das Matrixmaterial.
Bei textilen Herstellverfahren werden ohnehin Abbindehilfen in das Faserverbund-Halbzeug eingebracht, daher stellt die Verwendung von modifizierten Abbindehilfen in Faserverbund-Halbzeugen eine vereinfachte Methode dar gegenüber der Einbringung von Vliesen, die in zusätzlichen Schritten in das Faserverbund-Halbzeug eingebracht werden müssten.
Bevorzugt werden die Verstärkungsfasern aus einer Gruppe ausgewählt, die Kohlenstofffasern, Glasfasern, Aramidfasern und Kevlarfasern umfasst.
Weiter vorteilhaft weisen die Verstärkungsfasern ein Bindermaterial auf, um so vorzugsweise bereits während des textilen Herstellungsverfahrens des Faserverbund-Halbzeuges die Verstärkungsfasern gegeneinander stabilisieren zu können. Alternativ wird das Bindermaterial nachträglich aufgebracht, sodass das Faserverbund-Halbzeug insgesamt das Bindermaterial aufweist.
Vorzugsweise weisen die Abbindehilfen ein oder mehrere Garnfilamente mit im Wesentlichen rundem Querschnitt auf. Im Folgenden ist mit Garn ein Garnfilament oder eine Vielzahl von Garnfilamenten gemeint.
Alternativ oder zusätzlich können die Abbindehilfen jedoch auch Folienbändchen mit im Wesentlichen gestrecktem Querschnitt aufweisen. Unter gestrecktem Querschnitt sollen dabei Querschnitte verstanden werden, die vorzugsweise eine ovale bis rechteckige Form haben.
Garne als Abbindehilfen haben den Vorteil, dass sie vorzugsweise kostengünstig kommerziell erhältlich sind.
Folienbändchen dagegen haben den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer flachen Geometrie die Verstärkungsfasern in dem Faserverbund-Halbzeug vorzugsweise weniger stark ondulieren als die Garne und dadurch eine verbesserte Steifigkeit des fertigen Faserverbundbauteils nach Infiltration mit dem Matrixmaterial erzielt werden kann.
In bevorzugter Ausgestaltung weist ein Garnfilament einen Querschnittsdurchmesser von 5 μm bis 20 μm auf. Die alternativ oder zusätzlich eingesetzten Folienbändchen weisen vorteilhaft eine Dickenerstreckung von 3 μm bis 30 μm auf.
Vorzugsweise sind die Abbindehilfen mit einem Thermoplast, insbesondere mit Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polyether-Ethersulfon (PEES), Polyamid (PA), Polysulfon (PSU), Polyphenylsulfan (PPS), Polyethylenterphthalat (PET) und/oder Phenoxyspezies gebildet.
Vorzugsweise ist die Metallbeschichtung mit Kupfer, Aluminium, Nickel und/oder Silber gebildet.
Weiter vorteilhaft weist die Metallbeschichtung eine Schichtdicke von 1 μm bis 8 μm, insbesondere 3 μm bis 5 μm, auf.
Eine im Verhältnis zu der Querschnittsdicke des verwendeten Garns bzw. des verwendeten Folienbändchens dünne Metallbeschichtung hat einerseits die oben genannten Vorteile wie Verhinderung des ”wash-out”, Verbesserung der Anbindung an das Matrixmaterial und Verbesserung der Leitfähigkeit in dem Faserverbund-Halbzeug, andererseits werden durch Vorsehen einer relativ dünnen Metallbeschichtung die Verstärkungsfasern durch die Abbindehilfen vorzugsweise nicht viel stärker onduliert als bei Verwendung von Abbindehilfen ohne Metallbeschichtung.
Vorzugsweise sind die Verstärkungsfasern in dem Faserverbund-Halbzeug unidirektional oder dreidimensional angeordnet. Die Abbindehilfen befinden sich dabei vorteilhaft derart in dem Faserverbund-Halbzeug angeordnet, dass sie die Verstärkungsfasern miteinander verbinden und über die Metallbeschichtung vorteilhaft eine Leitfähigkeit in dem Faserverbund-Halbzeug verbessern. Bei einlagigen Schichten gilt dies vorteilhaft für die Ebene, bei dreidimensionalen Faserverbund-Halbzeugen vorteilhaft sowohl für die Ebene als auch für das Volumen.
In bevorzugter Ausführungsform ist das Faserverbund-Halbzeug als Gewebe ausgebildet, wobei die Verstärkungsfasern als Kettfäden und die Abbindehilfen als Schussfäden verwendet werden.
Alternativ kann das Faserverbund-Halbzeug auch als Gelege mit im Wesentlichen parallel verlaufenden Verstärkungsfasern ausgebildet sein, wobei die Verstärkungsfasern mit einer Gegenlage aus Abbindehilfen verwirkt sind.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist es auch möglich, das Faserverbund-Halbzeug als Geflecht auszubilden, bei dem die Verstärkungsfasern in eine erste Richtung und die Abbindehilfen in eine zu der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung geführt sind.
Ist das Faserverbund-Halbzeug als Geflecht ausgebildet, ist es bevorzugt, wenn das Geflecht mehrere Flechtlagen aufweist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verstärkungsfasern in Belastungsrichtung des zu erzeugenden Faserverbundbauteils und die Abbindehilfen im Wesentlichen quer zu den Verstärkungsfasern angeordnet sind.
So werden die Hauptbelastungen, die später in dem Faserverbundbauteil wirken, vorteilhaft vorwiegend durch die Verstärkungsfasern abgeleitet. Die Schadenstoleranz gegenüber Belastungen, die nicht in der vordefinierten Belastungsrichtung wirken, wird durch die Abbindehilfen, die nun eine Metallbeschichtung aufweisen und somit eine Ableitmöglichkeit von Kräften quer zur vordefinierten Belastungsrichtung bilden, vorteilhaft erhöht.
Daher ist es bevorzugt, wenn die Abbindehilfen im Wesentlichen senkrecht, insbesondere in einem Winkel von 45° bis 90°, zu den Verstärkungsfasern angeordnet sind.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Abbindehilfen in Richtung einer Dickenerstreckung z des Faserverbund-Halbzeugs angeordnet.
So verbessern sie die Schadenstoleranz und elektrische Leitfähigkeit des Faserverbund-Halbzeuges vorzugsweise nicht nur in der Ebene, das heißt in xy-Richtung, sondern auch in z-Richtung, was beispielsweise durch das Vorsehen von Vliesen als Zwischenschichten nicht erreicht werden kann.
Bei einem Verfahren zum Herstellen von Faserverbund-Halbzeugen werden die folgenden Schritte durchgeführt:

a) Herstellen von Abbindehilfen mit einer Metallbeschichtung an ihrer Oberfläche;
b) Bereitstellen von Verstärkungsfasern;
c) Anordnen von Abbindehilfen und Verstärkungsfasern derart, dass die Abbindehilfen die Verstärkungsfasern in ihrer Position in dem Faserverbund-Halbzeug halten.

Statt dem bekannten Verfahren, bei dem metallbeschichtete Vliese als Zwischenschichten zwischen die textil hergestellten Schichten des Faserverbund-Halbzeuges eingebracht werden, werden nun die Elemente, die die Schadenstoleranz verbessern und auch eine verbesserte Leitfähigkeit des Faserverbund-Halbzeuges erzeugen können, vorteilhaft direkt in dem textilen Herstellungsverfahren eingebracht, in dem die einzelnen Lagen gebildet werden. Dadurch ist das Herstellverfahren von Faserverbund-Halbzeugen vereinfacht, da vorzugsweise auf den Schritt Zwischenlegen eines Vlieses zwischen textil erzeugte Faserlagen verzichtet werden kann.
Zusätzlich hat dieses Verfahren den Vorteil, dass nicht lokal begrenzt in den Zwischenschichten Verstärkungs- und Leitfähigkeitsschichten eingebracht werden, sondern dass insbesondere in z-Richtung des Faserverbund-Halbzeuges ein größerer Anteil an solchen verstärkenden und die Leitfähigkeit verbessernden Elementen in Form der Abbindehilfen vorliegt.
Vorzugsweise werden die Abbindehilfen in Schritt a) mit den folgenden Schritten hergestelllt:

a1) Bereitstellen von Fasern und/oder Folienbändchen aus einem Thermoplast;
a2) Beschichten der Fasern und/oder Folienbändchen mit einer Metallschicht an ihrer Oberfläche,
a3) Ausgasenlassen der beschichteten Fasern und/oder Folienbändchen bei erhöhter Temperatur.

Es können vorzugsweise einfach Abbindehilfen verwendet werden, die kostengünstig erhältlich sind und einfach mit einer Metallschicht an ihrer Oberfläche versehen werden. Es ist dabei möglich, auch eine vorteilhafte Kombination von Garn und Folienbändchen als Abbindehilfen in dem Faserverbund-Halbzeug zu verwenden.
Durch das Ausgasen lassen werden vorteilhaft Hilfsgase oder Hilfsflüssigkeiten von den Fasern bzw. Folienbändchen entfernt, die beim Aufbringen der Metallschicht auf die Oberfläche der Fasern bzw. Folienbändchen benötigt worden sind.
Vorzugsweisen werden in Schritt a2) die Fasern und/oder Folienbändchen nasschemisch mit Metall beschichtet.
Dabei werden vorteilhaft die bereitgestellten Fasern bzw. Folienbändchen zunächst mit Säure, beispielsweise Schwefelsäure gereinigt und dann mit Paladiumchlorid (PdCl₂ und HCl vorteilhaft vorbehandelt. Es erfolgt bevorzugt eine Aktivierung in Natriumdisulfat. Weiter wird vorteilhaft ein Beschleuniger verwendet. Die Metallbeschichtung wird dann durch Reaktion mit Kupfersulfat zum beispielhaften Erzeugen einer Kupferschicht gebildet, wobei die Schichtdicke der entstehenden Metallschicht von der Zeitdauer abhängt, über die die chemische Reaktion durchgeführt wird. Beispielsweise kann eine 3 μm dicke Metallbeschichtung bei einer Reaktionsdauer von etwa 30 Minuten erzielt werden, während 5 μm Schichtdicke bei einer Reaktionsdauer von 60 Minuten erzielt werden kann.
Vorzugsweise werden die Fasern und/oder Folienbändchen in Schritt a3) mit einer Temperatur von 180°C bis 240°C, insbesondere 200°C bis 220°C, beaufschlagt. Dies ist ein vorteilhafter Temperaturbereich, bei dem die in dem beschriebenen nasschemischen Verfahren verwendeten Flüssigkeiten und Gase vorteilhaft von der Oberfläche der Fasern bzw. Folienbändchen entfernt werden können.
Bevorzugt erfolgt die Temperaturbeaufschlagung für einen Zeitraum von 20 bis 30 Stunden, insbesondere 22 bis 26 Stunden, mehr insbesondere etwa 24 Stunden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine Schliffansicht durch ein Faserverbundbauteil mit Abbindehilfen mit einer 5 μm Metallbeschichtung;
2 eine Schliffansicht durch ein Faserverbundbauteil mit Abbindehilfen mit einer 3 μm Metallbeschichtung;
3 eine Querschnittsansicht durch eine Abbindehilfe mit einer 5 μm Metallbeschichtung;
4 eine Querschnittsansicht durch eine Abbindehilfe mit einer 3 μm Metallbeschichtung;
5 eine perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Geleges;
6 die Anordnung von Abbindehilfen als Gegenlage (62) in dem Gelege aus 5;
7 eine weitere Ansicht zur Verdeutlichung der Anordnung der Abbindehilfen als Gegenlage in dem Gelege aus 5;
8 ein aufgerolltes Geflecht als Faserverbund-Halbzeug;
9 ein Gewebe mit Verstärkungsfasern und Abbindehilfen;
10 die Verwendung von Folienbändchen als Abbindehilfen in dem Gewebe aus 9;
11 eine Ansicht auf ein dreidimensionales Gewebe aus Verstärkungsfasern und Abbindehilfen;
12 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Schadenstoleranz und Leitfähigkeit relativ zu dem verwendeten Textiltyp; und
13 ein mit einer Metallbeschichtung versehenes Vlies gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt ein Faserverbundbauteil 12, das durch Infusion eines Faserverbund-Halbzeugs 14 mit einem Matrixmaterial 16 erzeugt worden ist.
Das Faserverbund-Halbzeug 14, das dem Faserverbundbauteil 12 zugrunde lag, weist dabei, wie in 1 zu sehen, Verstärkungsfasern 18 und quer dazu angeordnete Abbindehilfen 20 auf.
Die Abbindehilfen 20 sind in der in 1 gezeigten Ausführungsform durch ein Garn 22 mit im Wesentlichen rundem Querschnitt 24 gebildet und weisen an ihrer Oberfläche 26 eine Metallbeschichtung 28 auf.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform hat die Metallbeschichtung 28 eine Schichtdicke von etwa 5 μm und ist mit Kupfer 10 gebildet.
In der Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, hat die Metallbeschichtung 28 mit Kupfer 10 eine Schichtdicke von etwa 3 μm.
In den beiden in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen wurde als Garn 22 eine Faser 30 aus Polyetherimid 32 verwendet.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Faser 30 aus Polyethersulfon 34 oder Polyetherethersulfon 36, Polyamid 38 oder Polysulfon 40 oder Polyphenylsulfon 42 oder Polyethylenterphthalat 44 oder auch als Phenoxyspezies 46 vorzusehen.
Vorteilhaft werden demgemäß Thermoplaste 48 als Garn 22 verwendet.
Alternativ zu der Beschichtung mit Kupfer 10 können auch Aluminium 50, Nickel 52 oder Silber 54 allein oder in Kombination verwendet werden.
Die Verstärkungsfasern 18 sind in dem Faserverbundbauteil 12 in Belastungsrichtung 56 angeordnet, wie durch den Pfeil verdeutlicht ist.
3 und 4 zeigen vergrößerte Ansichten auf den Querschnitt 24 der in 1 und 2 verwendeten Garne 22.
Dabei zeigt 3 eine Metallbeschichtung 28 mit einer Schichtdicke von etwa 4 bis 5 μm, während in 4 eine Schichtdicke von etwa 3 μm gezeigt ist. Das Garn 22 sowohl in 3 als auch in 4 hat einen Querschnittsdurchmesser 58 von etwa 15 μm. Welche Schichtdicke der Metallbeschichtung 28 vorteilhaft gewählt wird, hängt von der Abwägung zwischen Vergrößerung der Ondulation durch die zusätzliche Metallbeschichtung 28 der Verstärkungsfasern 18 und der gewünschten Leitfähigkeit bzw. Schadenstoleranz in dem fertigen Faserverbundbauteil 12 ab.
5 zeigt perspektivisch, wie mehrere gebildete Faserlagen 60 aus Verstärkungsfasern 18 mit einer Gegenlage 62 aus Abbindehilfen 20 vernäht werden, um so ein Gelege 64 als textiles Faserverbund-Halbzeug 14 zu bilden.
In 6 ist die Anordnung der Abbindehilfen 20 in dem Gelege 64 aus 5 gezeigt, ebenso in 7. Die Verstärkungsfasern 18 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander, während die Abbindehilfen 20 als Garn 22 zum Vernähen der parallel verlaufenden Verstärkungsfasern 18 verwendet werden.
8 zeigt die Anordnung von Verstärkungsfasern 18 in einem Geflecht 66. Beim Flechten werden die Verstärkungsfasern 18 in eine erste Richtung geführt und die Abbindehilfen 20 in eine zu der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung, um die Position der Verstärkungsfasern 18 zu stabilisieren.
9 zeigt ein Gewebe 68, wobei die Verstärkungsfasern 18 als Kettfäden 70 und die Abbindehilfen 20 als Schussfäden 72 verwendet worden sind.
In dem Gewebe 68 verlaufen die Verstärkungsfasern 18 unidirektional, während die Abbindehilfen 20 im Wesentlichen senkrecht, in der vorliegenden in 9 gezeigten Ausführungsform in 90° Anordnung zu den Verstärkungsfasern 18, angeordnet sind.
Alternativ zu der Verwendung von Garn 22 mit einem runden Querschnitt 24 als Abbindehilfe 20 ist es, wie in 10 gezeigt ist, auch möglich, Folienbändchen 74 mit gestrecktem Querschnitt 76 als Abbindehilfe 20 zu verwenden, wobei die Folienbändchen 74 aus den gleichen Materialien aufgebaut sein können, wie dies bereits für das Garn 22 beschrieben worden ist. Die Folienbändchen 74 haben gegenüber dem Garn 22 den Vorteil, dass sie durch den gestreckten Querschnitt 76 eine geringere Dickenerstreckung 78 als das Garn 22 aufweisen und somit die Verstärkungsfasern 18 weniger stark ondulieren.
11 zeigt ein dreidimensionales Gewebe 68, bei dem die Verstärkungsfasern 18, wie durch die Pfeile angedeutet, in mehrere Richtungen verlegt sind und durch die Abbindehilfen 20 stabilisiert werden. Dabei sind die Abbindehilfen 20 in Richtung einer Dickenerstreckung z des Faserverbund-Halbzeugs 14 angeordnet.
12 zeigt den Zusammenhang zwischen verschiedenen Textiltypen und der Schadenstoleranz bzw. der Leitfähigkeit in z-Richtung des Faserverbund-Halbzeugs 14.
Dabei werden insbesondere ohne Metallbeschichtung erzeugte Textilformen, wie in z-Richtung vernähte Preformen, vernähte sogenannte „non-crimp fabrics”, unidirektionale Geflechte 66 und Gewebe 68 mit solchen Textilformen verglichen, die zwischen den einzelnen Lagen aus Verstärkungsfasern 18 eine metallisierte Zwischenlage, beispielsweise das Vlies 2, aufweisen. Es ist zu erkennen, dass zu dem metallisierten Vlies 2 hin die Leitfähigkeit in der z-Richtung abnimmt, was durch Zwischenfügen der nichtleitfähigen Vliesschicht bedingt ist. Andererseits verbessert sich die Schadenstoleranz des Faserverbund-Halbzeugs 14 insgesamt. Dadurch wird deutlich, dass die Verwendung von metallisierten Vliesen 2 zwar den Vorteil einer verbesserten Schadenstoleranz hat, jedoch nachteilig für die Leitfähigkeit innerhalb des entstehenden Faserverbundbauteils 12 ist, was durch die Verwendung von Abbindehilfen 20 mit Metallbeschichtung 28 verbessert werden kann.
Es ist bekannt, dass mit Kupfer 10 beschichteten Vliesen 2 auf Basis von Polyetherimid 32, die in harzreichen Zwischenschichten eines Faserverbunds eingebracht werden, die mechanischen Eigenschaften von Faserverbund-Bauteilen 12 verbessert werden kann.
Normalerweise ist die elektrische Leitfähigkeit sowie sind die mechanischen Kennwerte hinsichtlich der Schadenstoleranz der bisher verwendeten CFRP-Materialien relativ gering. Die Leitfähigkeit in Laminatslängsrichtung ist mit ca. 10.000 S/m erheblich besser als in Dickenrichtung z (etwa 2 bis 3 S/m). Grund hierfür ist die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern bzw. der isolierenden Eigenschaften der Polymer-Matrix 16. Die geringe Schadenstoleranz kann durch die spröden Materialeigenschaften der verwendeten, auf Epoxy basierenden, Polymere begründet werden.
Es ist bekannt, die elektrische Leitfähigkeit durch Einbringen von metallischen Gebilden auf der Oberfläche des Faserverbund-Halbzeugs 14 bzw. bei Bedarf auch in jeder Zwischenlage zu verbessern. Auch das Metallisieren von Zwischenlagen/Geweben, die auf Polymer basieren, mit Nickel 52 oder Kupfer 10 ist bekannt. Nanopartikel, die in das Matrixmaterial 16 eingemischt sind, können ebenfalls die Leitfähigkeit verbessern. Die Schadenstoleranz kann durch zum Beispiel zähmodifizierende Matrix-Additive, wie beispielsweise Nanopartikel, aber auch durch Zwischenlagen/Gewebe verbessert werden. Hierzu werden zum Beispiel Polyamid 38, Polyetherimid 32, Polysulfon 40 als Gewebe 68, Vliese 2 o. ä. in die Interleaves eingebracht, welche im ausgehärteten CFRP-Verbund die Rissausbreitung hemmen.
Somit ist das Metallisieren von „Interleave-Fabrics” bereits bekannt. Solche Lagen in den Zwischenschichten können aber nur die elektrische Leitfähigkeit in xy-Richtung und nicht in z-Richtung verbessern.
Daher wird nun vorgeschlagen, stattdessen oder auch zusätzlich metallisierte Abbindehilfen 20, wie zum Beispiel Garne 22 oder Folienbändchen 74, die in z-Richtung von beispielsweise Multiaxialgelegen in Form von Nähgarn 22, bei Geflechten 66 in Form von Stützgarn 22, oder auch in Geweben 68 in Form von Schussfäden 72, eingebracht werden. Bei geeigneter Materialwahl können des Weiteren Rissstopper-Eigenschaften durch das Garn 22 erzielt werden.
Vorteil ist, dass Textilien mit metallisierten thermoplastischen Abbindehilfen 20 die elektrische Leitfähigkeit nicht nur in xy-Richtung, sondern auch in z-Richtung von CFRP-Laminaten erheblich verbessern. Des Weiteren kann auch eine verbesserte Risszähigkeit erzielt werden. Somit wird die Schadenstoleranz von Textilien mit solch optimierten Garnen 22 bzw. Folienbändchen 74 verbessert. Durch die Metallisierung können außerdem dem Thermoplaste 48, wie beispielsweise Polysulfon 40 oder Polyetheremid 32, verwendet werden, die sich bisher frühzeitig in der Matrix 16 gelöst haben und somit einen unerwünschten Wash-out zur Folge hatten; es kann ein Container-Effekt erzielt werden.
Vorgeschlagen werden demnach mit Metall beschichtete Abbindehilfen 20 zur Optimierung der Eigenschaften von CFRP-Laminaten.
Die Verbesserung der Schadenstoleranz sowie der elektrischen Leitfähigkeit von kohlenstofffaserverstärkten Strukturen (CFRP-Strukturen) bringt Einsparungen hinsichtlich Gewicht und Kosten.
Zur Herstellung von CFRP-Bauteilen in Infusionstechnologie (LCM) wird zuerst die textile Preform aus den Verstärkungsfasern 18 erstellt und folgend mit dem Matrixmaterial 16 infusioniert. Die Preform kann direkt aus den Kohlenstofffasern hergestellt werden, aber auch Halbzeuge wie Gelege 64, Gewebe 68, Geflechte 66 oder kleinere vorab gefertigte Sub-Preformen werden genutzt, um die textile Vorform aufzubauen. Die trockenen Gebilde werden mittels Bindermaterial stabilisiert, das einerseits auf dem Klebeprinzip, aber auch mittels textiler Techniken, wie zum Beispiel dem Vernähen oder Verwirken bzw. Verweben oder Verflechten, basieren kann.
In allen Fällen können thermoplastische Garne 22 als Abbindehilfe 20 verwendet werden, wobei vorzugsweise in Belastungsrichtung 56 die Verstärkungsfasern 18 verlaufen. Es wurde bereits gezeigt, dass die Wahl des Abbindehilfe-Materials trotz des sehr geringen Anteils am Gesamtverbund dennoch große Auswirkungen auf die mechanischen Kennwerte des CFRP-Laminats haben kann.
Die aktuell verwendeten Polyethylenterephthalat 44 – bzw. Polyamid 38 – basierenden Garne 22 sind zwar tendenziell gut in der Verarbeitung, sind jedoch aufgrund ihres thermoplastischen Verhaltens nicht ganz optimal. Verbesserungen bringen hier Garne 22 oder auch Folienbändchen 74 auf Basis von beispielsweise Polyetheremid 32, Polyphenylsulfon 34, Polysulfon 40 oder auch Phenoxyspezies 46, die jedoch bereits bei der Infusion in dem auf Epoxy basierenden Harzsystem teilweise an- bzw. aufgelöst werden und dadurch ausschwemmen können, der sogenannte „Wash-Out”, der eine inhomogene Bindermaterialverteilung zur Folge hat.
Abhilfe schafft hier die Beschichtung der Oberfläche 26 der Abbindehilfe 20 mit einer sehr dünnen Metallschicht 28, wie es beispielsweise im Stand der Technik bei Polyetherimid-Vliesen 2 bereits bekannt ist (vgl. 13). Grundsätzlich können nahezu alle Oberflächen 26 mit diversen Metallen wie Kupfer 10, Nickel 52, Aluminium 50, Silber 54 usw. in diversen Wandstärken versehen werden.
Experimentelle Tests, dargestellt in 12, an mit Kupfer 10 beschichteten Polyetherimid-Vliesen 2 zeigten die Wirksamkeit der Metalloberfläche hinsichtlich Prävention gegen Auflösen, das heißt den sogenannten Container-Effekt. Des Weiteren ist die Anbindung an den beiden Interphasen Matrix/Metallschicht 28 bzw. Metallschicht 28/Abbindehilfe 20 durch die sehr guten interlaminaren Schubfestigkeiten als sehr gut anzusehen. Risszähigkeitstests zeigten extrem verbesserte Werte in Mode II (GIIc), die für eine verbesserte Impakt-Resistenz sprechen, das heißt, dass kleine Schadensflächen nach Impakt in direkten Zusammenhang gebracht werden können. Diese Tests sind auch auf Textilien wie zum Beispiel Unidirektional-Gelege 64 (sogenannten Uni-NCF), Unidirektional-Gewebe 68 oder auch Unidirektional-Geflechte 66 übertragbar, da deren Abbindehilfen 20 ein Zwischenlagenkonstrukt aufspannen, wenn die Lagen übereinander zum Laminat gestapelt werden. Die mechanischen Eigenschaften verhalten sich hier ähnlich zu dem flächig eingebrachten Interlayer-Fabric.
Neben den verbesserten mechanischen Kennwerten wird durch die metallbeschichteten Abbindehilfen 20 auch die elektrische Leitfähigkeit sowohl in xy- als auch z-Richtung verbessert. Dagegen zeigen die Tests an Laminaten, die mit Kupfer 10 beschichten Polyetherimid-Vliesen 2 versehen sind, lediglich eine verbesserte xy-Leitfähigkeit und reduzierte Leitfähigkeiten in z-Richtung, die die eigentlichen Kohlenstofffaser-Lagen weiterhin isolieren (vgl. 12). Die metallisierten Abbindehilfen 20 hingegen gewährleisten auch die Leitfähigkeit durch die Lagen hindurch bzw. leiten den Strom in den Interphasen an den Berührpunkten.
Die Verbesserungen hinsichtlich Schlagzähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit können in Abhängigkeit der Menge und Einbring-Konfiguration, das heißt der Richtung der Abbindehilfe 20, je nach Textiltyp unterschiedlich ausfallen. Grundsätzlich verbessert mehr Abbindehilfe-Material in den Zwischenlagen die Risszähigkeit bzw. schafft mehr direkte Wege in z-Richtung durch die Verstärkungslagen, so dass die elektrische Leitfähigkeit in z-Richtung erhöht wird.
Ein Herstellverfahren zum Erzeugen von Metallbeschichtungen 28 auf Polyetherimid-Fasern 30, wie in 3 und 4 gezeigt in nasschemischer Herangehensweise kann folgendermaßen aussehen:

1. 30 Sekunden Säurereinigung in Schwefelsäure/Isopropanol, Spülen mit Wasser;
2. 10 Sekunden Vorbehandlung in PdCl₂, HCl;
3. 2 Minuten 30 Sekunden Aktivierung in Natriumdisulfat, Chlor-Komponenten, PdCl₂, HCl;
4. 2 Minuten Beschleunigung in aliphatischem Alkohol/Fluoroborsäure;
5. 60 Minuten CuSO₄, Methanol, Natriumhydroxid, Kaliumfluorid zur Antioxidation, Natrium-M-Nitrobenzolsulfonat, Benzothiazol.

Damit können Kupferbeschichtungen mit einer Schichtdicke von 4 bis 5 μm erzielt werden. Dünnere Kupferbeschichtungsdicken im Bereich von etwa 3 μm können erzielt werden, wenn in Schritt 5 (chemisches Kupferbad) eine Einwirkdauer von 30 Minuten statt 60 Minuten gewählt wird.
Um zu verhindern, dass sich unerwünschte Poren in mit Matrixmaterial 16 infiltrierten Faserverbundbauteil 12 bilden, wird das beschichtete Garn 22/Folienbändchen 74 thermisch behandelt und in einem Ofen über 24 Stunden bei etwa 210°C vakuumisiert.
Bezugszeichenliste

2: Vlies
4: Polyetherimid-Faser
6: erster Bereich
8: leitfähige Schicht
10: Kupfer
12: Faserverbundbauteil
14: Faserverbund-Halbzeug
16: Matrixmaterial
18: Verstärkungsfaser
20: Abbindehilfe
22: Garn
24: runder Querschnitt
26: Oberfläche
28: Metallbeschichtung
30: Faser
32: Polyetherimid
34: Polyethersulfon
36: Polyetherethersulfon
38: Polyamid
40: Polysulfon
42: Polyphenylsulfon
44: Polyethylenterphthalat
46: Phenoxyspezies
48: Thermoplast
50: Aluminium
52: Nickel
54: Silber
56: Belastungsrichtung
58: Querschnittsdurchmesser
60: Faserlage
62: Gegenlage
64: Gelege
66: Geflecht
68: Gewebe
70: Kettfaden
72: Schussfaden
74: Folienbändchen
76: gestreckter Querschnitt
78: Dickenerstreckung (Folienbändchen)
z: Dickenerstreckung (Faserverbund-Halbzeug)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009032005 A1 [0003]
DE 102008052668 A1 [0003]
DE 102004017311 A1 [0004]
EP 1473132 A2 [0006]
US 20100264266 A1 [0006]

Claims

Faserverbund-Halbzeug (14) zum Erzeugen eines Faserverbundbauteils (12) durch Infiltration mit einem Matrixmaterial (16), wobei das Faserverbund-Halbzeug (14) eine Vielzahl von Verstärkungsfasern (18) zum Verstärken des zu erzeugenden Faserverbundbauteils (12) sowie Abbindehilfen (20) zum Stabilisieren der Position der Verstärkungsfasern (18) in dem Faserverbund-Halbzeug (14) aufweist, wobei die Abbindehilfen (20) eine Metallbeschichtung (28) an ihrer Oberfläche aufweisen.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbindehilfen (20) ein Garn (22) mit im Wesentlichen rundem Querschnitt (24) und/oder Folienbändchen (74) mit im Wesentlichen gestrecktem Querschnitt (76) aufweisen.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Garnfilament (22) einen Querschnittsdurchmesser (58) von 5 μm bis 20 μm aufweist und/oder dass die Folienbändchen (74) eine Dickenerstreckung (78) von 3 μm bis 30 μm aufweisen.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbindehilfen (20) mit einem Thermoplast (48), insbesondere mit Polyetherimid (PEI) (32), Poyethersulfon (PES) (34), Polyetherethersulfon (PEES) (36), Polyamid (PA) (38), Polysulfon (PSU) (40), Polyphenylsulfon (PPS) (42), Polyethylenterphthalat (PET) (44) und/oder Phenoxyspezies (46) gebildet sind.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (28) mit Kupfer (10), Aluminium (50), Nickel (52) und/oder Silber (54) gebildet ist.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallbeschichtung (28) eine Schichtdicke von 1 μm bis 8 μm, insbesondere 3 μm bis 5 μm, aufweist.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (18) unidirektional oder dreidimensional angeordnet sind.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserverbund-Halbzeug (14) als Gewebe (68) mit den Verstärkungsfasern (18) als Kettfäden (70) und den Abbindehilfen (20) als Schussfäden (72) oder als Gelege (64) mit im Wesentlichen parallel verlaufenden Verstärkungsfasern (18), die mit einer Gegenlage (62) aus Abbindehilfen (20) verwirkt sind, oder als Geflecht (66), bei dem die Verstärkungsfasern (18) in eine erste Richtung und die Abbindehilfen (20) in eine zu der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung geführt sind, ausgebildet ist.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (18) in Belastungsrichtung (56) des zu erzeugenden Faserverbundbauteils (12) und die Abbindehilfen (20) im Wesentlichen quer zu den Verstärkungsfasern (18) angeordnet sind.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbindehilfen (20) im Wesentlichen senkrecht, insbesondere in einem Winkel von 45° bis 90°, zu den Verstärkungsfasern (18) angeordnet sind.
Faserverbund-Halbzeug (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbindehilfen (20) in Richtung einer Dickenerstreckung (z) des Faserverbund-Halbzeugs (14) angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen von Faserverbund-Halbzeugen (14) mit den Schritten: a) Herstellen von Abbindehilfen (20) mit einer Metallbeschichtung (28) an ihrer Oberfläche (26); b) Bereitstellen von Verstärkungsfasern (18); c) Anordnen von Abbindehilfen (20) und Verstärkungsfasern (18) derart, dass die Abbindehilfen (20) die Verstärkungsfasern (18) in ihrer Position in dem Faserverbund-Halbzeug (14) halten.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbindehilfen (20) mit den folgenden Schritten hergestellt werden: a1) Bereitstellen von Fasern (30) und/oder Folienbändchen (74) aus einem Thermoplast (48); a2) Beschichten der Fasern (30) und/oder Folienbändchen (74) mit einer Metallbeschichtung (28) an ihrer Oberfläche (26); a3) Ausgasenlassen der beschichteten Fasern (30) und/oder Folienbändchen (74) bei erhöhter Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a2) die Fasern (30) und/oder Folienbändchen (74) nasschemisch mit Metall beschichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (30) und/oder Folienbändchen (74) in Schritt a3) mit einer Temperatur von 180°C bis 240°C, insbesondere 200°C bis 220°C, insbesondere für einen Zeitraum von 20 bis 30 Stunden, mehr insbesondere 22 bis 26 Stunden, beaufschlagt werden.