DE102015207815A1

DE102015207815A1 - Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102015207815A1
Application number: DE102015207815.9A
Authority: DE
Inventors: Hubert Jäger; Michel Wolf
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-11-03
Also published as: EP3088556A1; EP3088556B1; PL3088556T3

Abstract

Gegenstand der vorlegenden Erfindung ist ein Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff, bei dem das Metall mit mindestens einem kohlefaserverstärkten Thermodur-Verbund verstärkt wird. Der kohlefaserverstärkte Thermodur-Verbund ist in dem Metall aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen des Metalls vom Schmelzpunkt bis zur Umgebungstemperatur kraftschlüssig eingeschlossen und das Metall ist in die Oberflächenrauigkeiten des Thermodur-Verbundes derart eingedrungen, dass dieser formschlüssig im Metall gehalten wird.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff, der sich dadurch auszeichnet, dass er in einem Gießverfahren hergestellt wurde, jedoch keine nachteiligen Grenzflächenreaktionen zwischen Kohlefasern und Metall aufweist.
Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Metallen bekannt. Dabei werden häufig die trockenen Fasern mittels einer Metallschmelze unter Druck infiltriert. Andere Verfahren sehen vor, Fasern als Kurzfasern in eine Metallschmelze einzubringen und dort zu dispergieren. Auch Vorgehensweisen, bei denen die Fasern von einer Vorratsrolle abgewickelt und in die Schmelze eingezogen werden, sind bekannt.
Die US 3,970,136 A schlägt ein Verfahren vor, bei dem in einer Form parallel angeordnete Fasern bereitgestellt werden. Dabei ist auch der Einsatz von gestapelten oder gerollten Fasermatten vorgesehen. Diese werden anschließend mit der flüssigen Metallschmelze infiltriert, wobei die Schmelze die Fasern einschließt.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass beim Einsatz von Kohlefasern an der Grenzfläche der Kohlefasern mit der Bildung von Metallkarbiden zu rechnen ist. Dies ist nachteilig für die Festigkeit der Verbindung zwischen den Fasern und dem Matrixmetall.
Gegenstand der EP 0 634 494 A2 ist ein Verfahren, Kupfer mit einer Kohlefaserverstärkung auszurüsten. Bei diesem Verfahren wird die Kohlefaserverstärkung in eine Harzmatrix eingeschlossen und danach carbonisiert, bei Bedarf sogar graphitisiert. Anschließend wird in einem CVI-Prozess weiterer Kohlenstoff abgeschieden, um eine in eine vorgegebene Richtung variierende Dichte des Kohlenstoffmaterials zu erreichen. Danach wird der Kohlenstoff in SiC umgewandelt und anschließend mit der Kupferschmelze getränkt.
Dieses Verfahren umgeht die Probleme der in der US 3,970,136 A beschriebenen Vorgehensweise, indem der Kohlenstoff zumindest an der Grenzfläche gezielt in SiC umgesetzt wird und so in weit geringerem Maße Verbindungen mit dem Matrixmetall ausbilden kann.
Die bisher diskutierten Druckschriften behandeln die Verbindung von Fasern mit einer Metallmatrix. Soll ein bereits faserverstärkter Kunststoff ohne Degradation der Kunststoffmatrix mit Metall verbunden werden, kommen meist Klebeverfahren oder ähnliches zum Einsatz.
Die EP 0 938 969 B1 verbindet einen faserverstärkten Kunststoff mit einem Metallbauteil mittels einer Haftvermittlerschicht auf Epoxidharzbasis.
Derartige Klebeverbindungen sind jedoch gegen eine Vielzahl von Stoffen, insbesondere gegenüber Lösungsmitteln, unbeständig. Darüber hinaus unterliegen sie einer Alterung, die nach einer gewissen Zeit zu einem Versagen der Verbindung führen kann.
Die EP 0 416 432 A2 beschreibt ein Verfahren, in dem eine Schicht Kohlefaser auf eine Metallschicht aufgebracht wird. Die Metallschicht wurde vorher oder wird hinterher in die gewünschte Form gebracht (bspw. gerollt, um einen Wellenschaft zu erhalten) und die Kohlefaserschicht wird dann mit dem Matrixmaterial getränkt und ausgehärtet. Verschiedene Verfahrensvarianten sehen den Einsatz von Prepregs oder Kohlefasergeflechten vor. Auch Haftvermittler zwischen den Schichten können genutzt werden. Dieses Vorgehen ist nur für wenige technische Aufgaben geeignet. Insbesondere muss die Umformbarkeit des Metalls im kalten Zustand gegeben sein, was nur bei dünnen Metallschichten zutreffend ist.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Kohlefaserverstärkung für Metallbauteile vorzuschlagen, die neben einer belastbaren kraftschlüssigen Verbindung zwischen Faserverstärkung und Metall, insbesondere unerwünschte Grenzflächenreaktionen zwischen Metall und Kohlefaserverstärkung, vermeidet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Kohlefaserverstärkung in einer Thermodurmatrix, bevorzugt einer Phenolharzmatrix, – ein Composit – vor, die vollständig oder teilweise mit Metall umschlossen ist. Unter dem Begriff „Thermodur“ werden im Folgenden neben Phenolharzen auch Resolharze und Mischungen von Phenol- und Resolharzen, sowie Polymere aus der Gruppe der Carbosilane, wie Bor-Carbosilane und Bor-Carbosilizane, subsummiert.
Die innige Verbindung zwischen kohlefaserverstärkter Matrix und Metall wird erzielt, indem die kohlefaserverstärkte Matrix (das Composit) vollständig oder zumindest teilweise mit Metallschmelze oder Metall in teilflüssigem, bspw. thixotropem, Schmelzzustand umgeben wird. Die zumindest teilweise Umhüllung mit dem Metall im geschmolzenen bzw. teilflüssigen Zustand führt beim Abkühlen zu einem Zusammenziehen des Metalls. Da dieses thermische Zusammenziehen des Metalls deutlich stärker als das der kohlefaserverstärkten Matrix erfolgt, wird diese stabil eingeschlossen. Bei der Abkühlung vom Schmelzpunkt des Metalls bis zur Umgebungstemperatur (ca. 20°C) wird der einschließende Effekt, der aus dem Zusammenziehen aufgrund des thermischen Schrumpfens resultiert, maximal ausgenutzt.
Der Fachmann erkennt, dass die kohlefaserverstärkte Matrix dazu wenigstens in einer Umfangslinie vollständig von Metall umschlossen sein muss, damit die kohlefaserverstärkte Matrix beim Zusammenziehen des Metalls sicher umfasst und eingeschlossen wird.
Durch diese Herstellungsweise dringt das Metall im fließfähigen Zustand in alle natürlich vorhandenen Oberflächenunebenheiten ein, und stellt so neben dem Kraftschluss einen oberflächigen Formschluss her. Da die hier eingesetzten Thermodure vergleichsweise hohe Zersetzungstemperaturen haben, findet nur eine geringe Beeinträchtigung der Matrixoberfläche statt, die sich in erhöhter Rauigkeit äußert, die ebenfalls zu einer besseren Verbindung des Metalls mit der kohlefaserverstärkten Matrix beiträgt.
Das Thermodur verhindert den direkten Kontakt zwischen Kohlefaserverstärkung und Metall, wodurch keine oder nur eine sehr geringe Metallkarbidbildung stattfinden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Composit auf der mit dem Metall in Verbindung tretenden Oberflächen eine Strukturierung auf. Dies können vorzugsweise Wellungen oder sonstige Erhebungen bzw. Vertiefungen sein, die geeignet sind, den Formschluss im Metall zu verbessern.
Wie dargestellt ist es wünschenswert, ein Thermodur mit hoher Zersetzungstemperatur anzuwenden. Diese Phenolharze zeichnen sich durch einen besonders hohen Kohlenstoffanteil aus. Die Kohlenstoffausbeute beim Carbonisieren der eingesetzten Thermodure beträgt daher bevorzugt mehr als 50 %, besonders bevorzugt mehr als 70 % und ganz besonders bevorzugt mehr als 85 %.
Bei den Thermoduren handelt es sich um bekannte Stoffe aus dem Stand der Technik bzw. um Kombinationen derartiger bekannter Thermodure.
Für die Faserverstärkung ist prinzipiell jede Kohlefaserart geeignet, die auch in faserverstärkten Bauteilen mit Thermodurmatrix eingesetzt werden kann. Bei den Kohlefasern kann es sich um unidirektionale, überwiegend parallel verlaufende Faserbündel, um Rovings, Gelege oder Geflechte handeln. Auch andere textile Formen und filzartige Anhäufungen sind bevorzugt.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform bestehen alle Kohlefasern aus ein und derselben Faserart mit identischen Durchmessern. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sehen mehrere unterschiedliche Kohlefaserarten mit unterschiedlichen Steifigkeiten, unterschiedlichen Durchmessern oder in sonstiger Weise untereinander variierenden Eigenschaften vor.
Die Faservolumengehalte des Composits liegen bevorzugt oberhalb von 20 %, besonders bevorzugt oberhalb von 50 % und ganz besonders bevorzugt oberhalb von 65 %, jedoch stets unterhalb von 100 %.
Besonders bevorzugt sind Kohlefasern, die als Einzelfasern ausgeführt und mit einem Thermodur beschichtet sind. Auch einige wenige Kohlefasern können so zu einem dünnen Faserbündel zusammengefasst und gemeinsam mit Thermodur umhüllt sein. Besonders bevorzugt bleibt dabei die Biegsamkeit der Kohlefasern bzw. -faserbündel erhalten. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind diese beschichteten Kohlefasern bzw. Kohlefaserbündel als Bund angeordnet, das optional im Metallinneren aufgefächert ist und so eine besonders gute Durchdringung des zu verstärkenden Metalls erreicht.
Weiterhin bevorzugt sind langestreckte Kohlefaserstränge mit im Wesentlichen unidirektional, parallel zur Längsachse der Stränge verlaufenden Fasern, in einer Thermodurmatrix, wobei das so entstandene Composit einen kreisförmigen, ovalen, dreieckigen, rechteckigen oder in sonstiger Weise polygonalen Querschnitt aufweist. Auch bandförmige Ausführungen sind bevorzugt, in denen das Composit einen ausgeprägt rechteckigen Querschnitt bei einer großen Längserstreckung aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt das Composit als Hohlprofil oder in sonstiger Weise Höhlungen und Hinterschnitte aufweisenden Geometrie vor. Hier ist ein besonderer Vorteil zu sehen, da so Compositgeometrien verarbeitet werden können, die bekannten Vorgehensweisen nicht zugänglich sind und der erfindungsgemäße Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nahezu beliebige Composit-Verstärkungskörper aufweisen kann und nicht auf einfache Kohlefaserstränge oder unidirektionale Formen limitiert ist.
Dem Fachmann ist bekannt, dass beim Einsatz stabförmiger Composite Kohlefasern an der im Metall liegenden Stirnfläche enden können und so dem Metall direkt zugänglich sind. Dies ist als unkritisch anzusehen, da die im Metall liegende Mantelfläche die Haltekraft aufbringt und daher Metallkarbidbildungen an der Stirnfläche unkritisch sind. Bevorzugte Ausführungsformen decken auch die Stirnfläche mit Thermodurmatrix ab.
Als Metall kann in der erfindungsgemäßen Anordnung prinzipiell jegliches Metall bzw. jegliche Metalllegierung eingesetzt werden. Begrenzt wird dies lediglich dadurch, dass bei der Herstellung die eindringende Schmelze die Kohlefasern nicht erreichen soll. Eine teilweise oder vollständige Carbonisierung des Matrixmaterials des Composits ist zulässig. Besonders bevorzugt findet diese Carbonisierung jedoch nur oberflächlich statt.
Besonders bevorzugt werden Aluminium, Magnesium bzw. deren Legierungen eingesetzt. Weiterhin bevorzugt sind Kupfer, Zink, aber auch Eisen oder Stahl oder ein anderes Metall oder eine andere metallische Legierung, die eine Schmelztemperatur oberhalb von 250 °C aufweist. Der Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff kann als Strukturelement und/oder als Funktions- oder Lasteinleitungselement ausgebildet sein. Je nach Anwendungszweck kann das Metall an den Enden des Composits oder aber mittig bzw. zwischen den Enden angeordnet sein. Es ist auch eine vollständige Bedeckung des Composits mit Metall möglich. Der Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff kann dabei mehrere Compositeinlagen in unterschiedlichen Ausformungen aufweisen. Neben stabförmigen sind auch flächige (bspw. textile) oder dreidimensionale Formen möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Composit an der Grenzfläche zwischen Compositoberfläche und Metall eine metallische oder keramische Beschichtung des Composits auf. Dies dient vorteilhaft zur Erzielung eines Stoffschlusses zwischen Metall und Composit bzw. zur Verhinderung eines chemischen Angriffs des Metalls auf das Matrixmaterial oder die Kohlefasern des Composits. Die Aufbringung dieser Schichten erfolgt mit Verfahren aus dem Stand der Technik. Bevorzugt sind chemische oder physikalische Gasphasenabscheidungen. Weitere bekannte Verfahren sind hier geeignet.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung wird bevorzugt das Composit unter Druck, mittels Spritzguss oder Gießen, zumindest teilweise mit dem flüssigen Metall umhüllt. Es wird eine schnellstmögliche Abkühlung vorgenommen (vorzugsweise wenige Sekunden vom Gießen bis zum Erstarren, besonders bevorzugt 1 bis 2 Sekunden). Der Faservolumengehalt im Metall-Compound-Verbund beträgt bevorzugt mindestens 20 %, besonders bevorzugt mindestens 50 %, ist jedoch stets kleiner 100 %.
Das Composit kann auch an verschiedenen Stellen mit verschiedenen Metallen umhüllt sein. So können bspw. an unterschiedlichen Enden eines Compositstranges Anschluss- oder Lasteinleitungselemente angeordnet sein, die aus unterschiedlichen Metallen bestehen.
Die erfindungsgemäße Anordnung wird bevorzugt als Leichtbauelement zur weiteren Gewichtsreduktion eingesetzt. Es kann insbesondere im Fahrzeugbau, in der Flugzeugindustrie oder sonstigen Industriezweigen Anwendung finden, in denen hohe Steifigkeit und Festigkeit mit geringem Gewicht zu kombinieren ist. Die erfindungsgemäße Anordnung stellt vorteilhaft einer Vielzahl von Anwendungsgebieten leistungsfähige kohlefaserverstärkte Metallbauteile zur Verfügung.
Figuren
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung. Der kohlenstofffaserverstärkte Phenolharzstab 2 ist in einem Metallzylinder 1 angeordnet. Der kohlenstofffaserverstärkte Phenolharzstab (Composit) 2 weist unidirektionale Kohlefasern 4 auf, die in einer Phenolharzmatrix 3 angeordnet sind.
2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der an beiden Enden des kohlefaserverstärkten Phenolharzstabes 2 Metallelemente 1 angeordnet sind. Die entgegengesetzte Schraffur deutet unterschiedliche Metalle an.
3 zeigt schematisch die Anordnung eines Bündels von Kohlefasern 4, die jeweils einzeln mit Phenolharz 3 überzogen sind. Das Bündel fächert innerhalb des Metalls 1 auf, um eine bessere Verteilung im Metall und so einen besseren halt zu erzielen.
4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, bei welcher der kohlefaserverstärkte Phenolharzstabe 2 vollständig von Metall 1 umschlossen ist.
5 zeigt schematisch eine Anordnung, bei der mehrere Verstärkungen aus kohlefaserverstärkten Phenolharzstäben 2 in einem Metallkörper 1 angeordnet sind.
6 zeigt schematisch in der oberen Figur einen Schnitt (B-B) durch eine erfindungsgemäße Anordnung entlang der Längsachse des Kohlefaser-Metall-Verbundes. Dieser weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Als Verstärkung enthält der Kohlefaser- Metall-Verbund einen hohlen, rohrartigen kohlefaserverstärkten Phenolharzstab 2. Zur Verdeutlichung ist in der unteren Figur ein Schnitt senkrecht zur Längsachse entlang der Linie A-A dargestellt. Die Kohlefasern 4 verlaufen im Inneren des Composits 2 unidirektional, parallel zur Längsachse des Kohlefaser-Metall-Verbundes.
Ausführungsbeispiel
Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt eine Möglichkeit, die Erfindung auszuführen, ohne diese auf die gezeigte Ausführungsform zu beschränken.
Der Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff liegt als stabförmiges Bauteil mit kreisrundem Querschnitt vor. Dabei ist ein Phenolhatzstab mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 350 mm an einem Ende mit einem Abstand zu diesem Ende von 20 mm über eine Länge von 150 mm mit einer Aluminiumlegierung umgeben. Die Mantelstärke dieser Aluminiumschicht beträgt 4,5 mm. Als Aluminiumlegierung wurde AlSi10 eingesetzt. Bei dem Phenolharzstab handelt es sich um ein handelsübliches Phenolharz mit einer Carbonisierungs-Kohlenstoffausbeute von 55%. Der Faservolumengehalt im Compositstab beträgt 60% unidirektional angeordneter Kohlefasern.
Der Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff wurde mittels drucklosen Schwerkraftgusses in eine Graphit/Kupfer-Gusskokille hergestellt. Die Gusstemperatur lag bei 670°C.
Bezugszeichenliste

1: Metall
2: kohlenstofffaserverstärkter Phenolharzstab
3: Phenolharz
4: Kohlenstofffaserverstärkung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3970136 A [0003, 0006]
EP 0634494 A2 [0005]
EP 0938969 B1 [0008]
EP 0416432 A2 [0010]

Claims

Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff, aufweisend mindestens einen kohlefaserverstärkten Thermodur-Verbund der zumindest teilweise von einem Metall im festen Aggregatzustand umschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass a. der kohlefaserverstärkte Thermodur-Verbund in dem Metall aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen des Metalls vom Schmelzpunkt bis zur Umgebungstemperatur kraftschlüssig eingeschlossen ist und b. das Metall in die Oberflächenrauigkeiten des Thermodur-Verbundes eingedrungen ist und dieser so formschlüssig gehalten wird.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen ist.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Kupfer Zink, Stahl oder ein anderes Metall oder eine andere metallische Legierung ist, die eine Schmelztemperatur oberhalb von 250 °C aufweist.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlefaserverstärkte Thermodur-Verbund stabförmig, mit rundem, dreieckigem, rechteckigem oder polygonalem Querschnitt, als Hohlprofil oder dreidimensionale Geometrie mit hinterschnittiger Form im Verbundwerkstoff vorliegt.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Composit auf den mit dem Metall in Verbindung tretenden Oberflächen eine Strukturierung, vorzugsweise Wellungen, oder sonstige Erhebungen bzw. Vertiefungen aufweist.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Composit auf den mit dem Metall in Verbindung tretenden Oberflächen eine metallische oder keramische Beschichtung des Composites zur Erzielung eines Stoffschlusses oder zur Verhinderung eines chemischen Angriffs an der Grenzfläche aufweist.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlefaserverstärkte Thermodur-Verbund als flächiges oder dreidimensionales Composit vorliegt.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlefaserverstärkte Thermodur-Verbund als Bund einzelner Kohlefasern oder Bündel weniger Kohlefasern vorliegt, die mit Thermodur umgeben sind.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bund im Inneren des Metalls aufgefächert ist.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumengehalt im kohlefaserverstärkten Thermodur-Verbund mindestens 20 % beträgt.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermodur bei der Carbonisierung eine Kohlenstoffausbeute von mehr als 50 % erreicht.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Thermodur um ein Phenolharz oder ein Resolharz oder Mischungen von Phenol- und Resolharzen oder Polymere aus der Gruppe der Carbosilane, wie Bor-Carbosilane und Bor-Carbosilizane, handelt.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservolumengehalt im Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff mindestens 20 % erreicht.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche des Thermodurs zum Metall carbonisiert ist.
Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermodur weitgehend carbonisiert ist, aber das flüssige Metall die Kohlefasern beim Herstellungsprozess des Kohlefaser-Metall-Verbundwerkstoffs nicht erreicht hat.