DE102015220145A1 - Kohlenstofffasermaterial, Verfahren zu dessen Herstellung, Faserverbundbauteil enthaltend das Kohlenstofffasermaterial - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kohlenstofffasermaterial (1, 10), das Kohlenstofffasern und mindestens ein Indikatormaterial (4) enthält, wobei das Indikatormaterial (4) ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kohlenstofffasermaterial mit röntgenaktiven Eigenschaften, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie ein Faserverbundbauteil, das das Kohlenstofffasermaterial enthält. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zur Analyse der Faserorientierung bzw. Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen.
- Die Orientierung von Fasern in faserhaltigen Materialien wie z.B. Faserverbundkunststoffen, ist eine wichtige Kenngröße, die Hinweise auf die zu erwartende Stabilität und Qualität des faserhaltigen Materials liefert. Im Stand der Technik ist eine Vielzahl an Verfahren zum Bestimmen der Faserorientierung bekannt. So beschreibt
DE 02214191 A1 in ihrem einleitenden Teil Verfahren, wie Röntgendiffraktionsverfahren, die zur Bestimmung der Faserorientierung in Papier geeignet sein sollen. Die bekannten Verfahren sind jedoch sehr aufwendig und nicht gut auf Kohlenstofffaser-haltige Materialien übertragbar. Gerade Röntgenabsorptionsverfahren oder Computertomographieverfahren, die am einfachsten durchzuführen wären, sind bei Kohlenstofffaserverbundbauteilen, die die üblichen organischen Matrixmaterialien, wie z.B. Epoxidharze, Polyacrylate und Polyurethane verwenden, aufgrund des zu geringen Kontrasts zu den Kohlenstofffasern nicht geeignet. - Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kohlenstofffasermaterial bereitzustellen, dessen Faserverteilung und Faserorientierung nach Verwendung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils oder eines Faserverbundmaterials bestimmbar und überprüfbar ist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Faserverbundbauteil bereitzustellen, das ein Kohlenstofffasermaterial mit bestimmbarer Faserorientierung und Faserverteilung aufweist. Eine weitere Aufgabe sieht vor, ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffasermaterials anzugeben, das einfach umsetzbar ist und durch dessen Anwendung ein Kohlenstofffasermaterial mit hoher Stabilität und Qualität herstellbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung Verfahren zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen anzugeben, die einfach anwendbar sind und zerstörungsfrei die gewünschten Resultate liefern. Auch ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Verwendung für ein Indikatormaterial zum Einsatz in einem Kohlenstofffaserverbundbauteil anzugeben.
- Die Aufgabe wird bei einem Kohlenstofffasermaterial erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Kohlenstofffasermaterial Kohlenstofffasern und mindestens ein Indikatormaterial enthält. Der Anteil an Kohlenstofffasern bezogen auf das Gesamtgewicht des für das Kohlenstofffasermaterial verwendeten Fasermaterials beträgt mindestens 80 Gew.-%, wobei das Fasermaterial vorzugsweise nur Kohlenstofffasern aufweist. Die Kohlenstofffasern können als Einzelfilamente oder als Faserbündel (Roving), also in Form langer Stränge ohne dreidimensionale Anordnung oder in Form eines im Wesentlichen dreidimensionalen Gebildes, einem so genannten Faserhalbzeug, vorliegen. Das Indikatormaterial ist ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements, mit einer Ordnungszahl von mindestens 14. Hierdurch weist es im Vergleich zu dem Kohlenstoff des Fasermaterials eine Differenz in der Ordnungszahl von mindestens 8 auf. Der Röntgen-Absorptionskoeffizient µ, der durch nachfolgende Formel dargestellt wird, ist in etwa proportional zur Ordnungszahl Z4 des untersuchten Atoms bzw. Elements:wobei in der Formel m für die Atommasse des untersuchten Atoms/Elements, E für die Röntgenenergie und ρ für die Dichte der untersuchten Probe steht. Mit der Ordnungszahl nimmt daher auch die Röntgenabsorption mit der Potenz 4 zu, so dass bereits bei einer Ordnungszahldifferenz von 8 zwischen Kohlenstoff (Ordnungszahl 6) und dem Indikatormaterial (Ordnungszahl größer oder gleich 14) ein deutlicher Kontrast im Röntgenbild zwischen den absorbierenden Kohlenstofffasern und dem absorbierenden Indikatormaterial erkennbar ist. Derselbe Kontrast ist auch gegenüber den meisten herkömmlichen organischen, also Kohlenstoff-enthaltenden Matrixmaterialien (Harz), wie z.B. Epoxidharzen, Polyacrylaten, Polyurethanen und dergleichen, gegeben. Dies bedeutet, dass sich das erfindungsgemäße Kohlenstofffasermaterial durch das röntgenaktive Indikatormaterial bei Einstrahlung von Röntgenstrahlung, wie z.B. bei der Röntgenographie oder Computertomographie (CT), kontrastreich vom Matrixmaterial abhebt. Zwischen dem Kohlenstoff der Kohlenstofffasern und dem Kohlenstoff des Matrixmaterials ist dagegen kein ausreichender Kontrast gegeben. Ohne die Integration des Indikatormaterials in das Kohlenstofffasermaterial wäre daher eine Analyse der Faserverteilung bzw. der Faserorientierung der Kohlenstoffasern im Kohlenstofffasermaterial bei Weiterverarbeitung desselben zu einem Matrixmaterial-enthaltenden Faserverbundbauteil, nicht möglich. Dadurch, dass das Indikatormaterial jedoch an den Kohlenstofffasern haftet und somit integrierter Bestandteil des Kohlenstofffasermaterials ist, kann durch röntgenographische- oder CT-Analyse der Faserverlauf und damit die Verteilung bzw. Orientierung der Kohlenstofffasern selbst in matrixreicher Umgebung eindeutig aufgelöst und bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Kohlenstofffasermaterial bietet damit neben den üblichen, für Kohlenstofffasermaterialien zu erwartenden sehr guten mechanischen Eigenschaften, eine gute, integrierte Analyseaktivität für eine zerstörungsfreie Überprüfung der Faserverteilung und Faserorientierung.
- Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
- Aus Gründen der guten Verarbeitbarkeit und der sehr guten Verfügbarkeit zu moderaten Preisen, ist die chemische Verbindung des Elements vorzugsweise ausgewählt aus Salzen, Oxiden und Komplexen des chemischen Elements. Diese Verbindungen können sowohl löslich als auch unlöslich sein, besitzen aber dem Kohlenstofffasermaterial und dem damit zu verwendenden Matrixmaterial gegenüber keine chemische Reaktivität, so dass ein aus dem Kohlenstofffasermaterial herzustellendes Faserverbundbauteil keine Beeinträchtigung hinsichtlich der Stabilität erleidet.
- Schon aus Kostengründen, aber auch aus Gründen der Stabilität des Kohlenstofffasermaterials, ist es bevorzugt, dass ein Gehalt an Indikatormaterial bezogen auf das Gesamtgewicht des Kohlenstofffasermaterials möglichst gering und vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 2 Gew.-%, und besonders bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, beträgt. Derart geringe Mengen sind aber schon vollkommen ausreichend, um den Verlauf der Kohlenstofffasern während einer röntgenographischen oder CT-Untersuchung anzuzeigen.
- Eine sehr gute Kontrastbildung wird vorteilhaft dadurch erzielt, dass das Indikatormaterial ein Metall oder ein Röntgenkontrastmittel ist. Unter einem Röntgenkontrastmittel wird dabei ein herkömmliches, in der Medizintechnik verwendetes Röntgenkontrastmittel verstanden.
- Sowohl aus toxikologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht ist das Indikatormaterial vorzugsweise ausgewählt aus: Kupfer, Gold, Silber, Zinn, Blei, röntgenaktivem Glas, BaSO4, CaSO4, MgSO4, SiO2, ZrO2, SnO2, BaCl2, MgCl2, CaCl2, TiO2, Triiodbenzoesäure und deren Derivate. Bariumsulfat ist hierunter als besonders bevorzugt zu nennen, da es leicht zugänglich, toxikologisch unbedenklich und sehr gut verarbeitbar ist.
- Das Indikatormaterial kann in unterschiedlichen Formen vorliegen. Bevorzugt liegt es in Form von Fasern oder Partikeln vor. Für ein faserförmiges Indikatormaterial spricht, dass es so direkt zusammen mit den Kohlenstofffasern, beispielsweise zu Faserbündeln, sogenannten Rovings, verarbeitet werden kann und damit direkt den Faserverlauf der Kohlenstofffasern abbildet. Die Faserform ist insbesondere für metallische, keramische oder glasartige Indikatormaterialien geeignet. Partikuläre Formen eignen sich insbesondere für leicht lösliche, gut dispergierbare oder mechanisch weniger stark belastbare Indikatormaterialien, wie z.B. anorganische Salze oder Komplexe.
- Für eine besonders gleichmäßige Verteilung des Indikatormaterials ist es von Vorteil, wenn die Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße von kleiner als 10 µm und vorzugsweise von kleiner als 5 µm, aufweisen. Die Partikelgröße kann beispielsweise mittels metallographischer Schliffpräparation oder mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und anschließende Vermessung ermittelt werden.
- Die Form bzw. Struktur und auch die Konstitution des erfindungsgemäßen Kohlenstofffasermaterials sind im Einzelnen nicht beschränkt. Vorzugsweise liegt das Kohlenstofffasermaterial jedoch in Form von Kohlenstofffaserbündeln oder in Form eines Faserhalbzeugs vor. Faserbündel haben dabei den Vorteil, dass sie so sehr leicht mit weiteren Fasermaterialien kombiniert werden können und in dem Gesamtfaserkonstrukt dennoch ihre röntgenaktiven Eigenschaften weiterhin zeigen können. Die Form von Faserhalbzeugen bietet hingegen sehr gute Verarbeitungsmöglichkeiten. Geeignete Faserhalbzeuge umfassen dabei Gelege, Gestricke, Gewirke, Geflechte und dergleichen. Das Indikatormaterial kann sehr einfach auf ein derartiges Faserhalbzeug aufgebracht und das Faserhalbzeug anschließend wie gewohnt weiterverarbeitet werden. Das Indikatormaterial ist auf dem jeweiligen Kohlenstofffasermaterial angeordnet.
- Ferner erfindungsgemäß wird auch ein Faserverbundbauteil beschrieben. Das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil enthält das vorstehend beschriebene Kohlenstofffasermaterial und mindestens ein Matrixmaterial. Hierbei können alle handelsüblichen und gängigen Matrixmaterialien, also insbesondere organische Harze wie Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere, zur Anwendung kommen. Diese Matrixmaterialien zeichnen sich üblicherweise durch einen hohen Anteil an Kohlenstoffatomen aus. Durch das im Kohlenstofffasermaterial enthaltene Indikatormaterial kann die Anordnung, Verteilung und Ausrichtung der Kohlenstofffasern im Faserverbundbauteil einfach, zerstörungsfrei und zeitsparend durch röntgenographische Untersuchungen oder CT-Analyse ermittelt werden. Fehlstellen im Fasermaterial können visualisiert und je nach Schwere der Inhomogenität kann das Faserverbundbauteil aus der Prozesskette ausgeschleust werden. Somit kann durch die röntgenaktiven Eigenschaften des für das erfindungsgemäße Faserverbundbauteil verwendeten Kohlenstofffasermaterials eine hohe Stabilität des hergestellten Faserverbundbauteils gewährleistet werden.
- Ebenso erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorstehend beschriebenen Kohlenstofffasermaterials angegeben. Das Verfahren umfasst dabei zunächst das Herstellen einer Indikatormaterialzusammensetzung. Die Indikatormaterialzusammensetzung enthält mindestens ein Indikatormaterial, wobei das Indikatormaterial ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist. Neben dem Indikatormaterial enthält die Indikatormaterialzusammensetzung mindestens ein Dispergiermittel. Das Dispergiermittel kann ein herkömmliches Lösungsmittel oder Solvens sein, in dem das Indikatormaterial löslich oder dispergierbar ist. Vorzugsweise weist das Dispergiermittel adhäsive Eigenschaften auf. Beispielsweise kann als adhäsives Dispergiermittel ein Matrixmaterial verwendet werden, das vom selben Typ wie das Matrixmaterial ist, das zur Herstellung eines Faserverbundbauteils aus dem herzustellenden Kohlenstofffasermaterial verwendet wird. Die Viskosität des Dispergiermittels kann z.B., falls erforderlich, durch entsprechende Verdünnung mit weiteren Dispergiermitteln oder durch Verdickung mit üblichen Verdickungsmitteln erzielt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt werden Kohlenstofffasern bereitgestellt. Der Anteil an Kohlenstofffasern bezogen auf das Gesamtgewicht des für das Kohlenstofffasermaterial verwendeten Fasermaterials beträgt dabei mindestens 80 Gew.-%. Vorzugsweise werden ausschließlich Kohlenstofffasern als Fasermaterial verwendet. Die Kohlenstofffasern können als Einzelfilamente, als Faserbündel oder auch in Form eines Faserhalbzeugs vorliegen. Anschließend wird die Indikatormaterialzusammensetzung auf die Kohlenstofffasern aufgebracht. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise, je nach Eigenschaften der Indikatormaterialzusammensetzung, beispielsweise durch Aufstreichen, Aufwalzen, Aufsprühen und dergleichen, ausgeführt werden. Die Indikatormaterialzusammensetzung soll dabei die Kohlenstofffasern gleichmäßig benetzen. Somit wird das Indikatormaterial gleichförmig auf die Kohlenstofffasern appliziert, haftet dort, ggf. nach Abtrocknen des Dispergiermittels, an und wird integrierter Bestandteil des Kohlenstofffasermaterials. Durch seine homogene Verteilung auf den Kohlenstofffasern und seine gegenüber kohlenstoffhaltigen Matrixmaterialien kontrastbildende Röntgenaktivität können der Faserverlauf, die Faserorientierung und die Faserverteilung der Kohlenstofffasern bei Verwendung des hergestellten Kohlenstofffasermaterials in einem Faserverbundbauteil sehr einfach und ohne hohen technischen Aufwand, zerstörungsfrei mittels röntgenographischer oder CT-analytischer Methoden bestimmt werden.
- Die vorliegende Erfindung umfasst auch Verfahren zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen. Gemäß einem ersten Verfahren wird dabei wie vorstehend für das Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffasermaterials beschrieben eine Indikatormaterialzusammensetzung hergestellt, die mindestens ein Indikatormaterial und ein Dispergiermittel enthält. Das Indikatormaterial ist ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14. Nach einem Bereitstellen von Kohlenstofffasern, die vorzugsweise in Form von Einzelfilamenten oder Faserbündeln vorliegen, erfolgt ein Aufbringen der Indikatormaterialzusammensetzung auf die Kohlenstofffasern. Bezüglich der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte wird ergänzend Bezug genommen auf die Ausführungen zum Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffasermaterials. Da die Kohlenstofffasern vor Applikation der Indikatorzusammensetzung noch nicht zu einem Faserhalbzeug verarbeitet sind, kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein Verarbeiten der mit Indikatormaterial versehenen Kohlenstofffasern zu einem Faserhalbzeug ausgeführt werden. Weitere Faserhalbzeuge können hinzugefügt werden. Wie üblich wird sodann ein Matrixmaterial auf das oder die Faserhalbzeuge aufgebracht. Etwaige Formgebungs- und Härtungsschritte zur dreidimensionalen Formung des Faserverbundbauteils und Aushärtung des Matrixmaterials können sich anschließen. Sodann wird eine röntgenographische oder computertomographische Untersuchung durchgeführt. D.h. es werden Röntgenbilder des Faserverbundbauteils erstellt, die anschließend ausgewertet werden. Die eingestrahlte Röntgenstrahlung wechselwirkt mit den Kohlenstofffasern, dem Matrixmaterial und dem Indikatormaterial. Aufgrund der im Vergleich zu Kohlenstoff hohen Ordnungszahl des Indikatormaterials zeigt sich dieses sehr kontrastreich auf dem Röntgenbild oder den CT-Aufnahmen. Durch seine gleichförmige Verteilung auf den Kohlenstofffasern weist ein gleichmäßiger Kontrast des Indikatormaterials auf eine lückenlose, gleichförmige Verteilung der Kohlenstofffasern hin. Fehlstellen, Fehlausrichtungen, Faserwinkelabweichungen oder fehlerhafte Anordnungen können sehr gut aufgelöst werden. Dort ist kein Indikatormaterial vorhanden oder das Indikatormaterial weicht in seiner Form oder Ausrichtung von der gewünschten Form oder Ausrichtung ab und es erfolgt somit entweder keine oder eine vom Idealbild abweichende Röntgenabsorption. Abweichungen oder Fehlstellen können z.B. durch einen Vergleich mit einem Sollbild aufgedeckt werden. Das Sollbild gibt dabei die ideale Anordnung des Indikatormaterials an und kann beispielsweise ebenfalls als Röntgenbild oder CT-Aufnahme vorliegen, oder aber als elektronische Datei nach Einlesen von CAD(computer-aided-design)-Daten. Etwaige missgebildete Faserverbundbauteile, die sich durch ungleichmäßig absorbierte Röntgenstrahlung auszeichnen, können aus dem Herstellprozess ausgeschleust werden. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet schnell, zuverlässig und zerstörungsfrei und ist ohne hohen technischen Aufwand anwendbar.
- Gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen, finden die Verfahrensschritte analog zum ersten erfindungsgemäßen Verfahren statt, mit der Ausnahme, dass vor dem Aufbringen der Indikatormaterialzusammensetzung auf die Kohlenstofffasern diese zu einem Faserhalbzeug verarbeitet werden. Das Indikatormaterial benetzt damit die Oberfläche eines Faserhalbzeugs und nicht die Fasern oder Faserbündel selbst. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Wirrfasermatten oder Fasergelegen vorteilhaft, da sich die Indikatormaterialzusammensetzung so sehr gut auf die angeordneten Kohlenstofffasern applizieren lässt. Auch das zweite erfindungsgemäße Verfahren zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen ist zeitsparend umsetzbar, zuverlässig, arbeitet zerstörungsfrei und ist ohne hohen technischen Aufwand anwendbar.
- Weiter erfindungsgemäß wird auch die Verwendung eines Indikatormaterials zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in einem Kohlenstofffaserverbundbauteil beschrieben, wobei das Indikatormaterial ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Kohlenstofffasermaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, -
2 eine Schnittansicht eines Kohlenstofffasermaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, -
3 eine schematische Darstellung eines Kohlenstofffasermaterials gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, -
4 eine schematische Darstellung eines Kohlenstofffasermaterials gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung und -
5 eine Röntgenaufnahme eines Kohlenstofffaserverbundbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. - Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Aspekte des erfindungsgemäßen Kohlenstofffasermaterials sowie des erfindungsgemäßen Kohlenstofffaserverbundbauteils dargestellt, alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
- Im Detail zeigt
1 ein Kohlenstofffasermaterial1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Kohlenstofffasermaterial1 enthält eine Kohlenstofffaser, die in Form eines Faserbündels2 (Roving) ausgebildet ist, das aus vielen einzelnen Kohlenstofffilamenten3 besteht, die zu dem Faserbündel2 zusammengefasst sind. Der Anteil an Kohlenstofffilamenten3 in Bezug auf den Gesamtanteil an für das Kohlenstofffasermaterial1 verwendeten Kohlenstofffilamenten3 beträgt 100 Gew.-%. Auf der Oberfläche des Faserbündels2 ist ein Indikatormaterial4 angeordnet. Das Indikatormaterial4 haftet an der Oberfläche des Kohlenstofffaserbündels2 an. Das Indikatormaterial4 ist ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14. Vorzugsweise ist das Indikatormaterial4 BaSO4. Zur Herstellung des Kohlenstofffasermaterials1 wurde das Faserbündel2 mit einer Indikatormaterialzusammensetzung benetzt, in der das Indikatormaterial4 in Form von dispergierten Partikeln verteilt war. Die Indikatormaterialzusammensetzung enthielt ein Dispergiermittel, das das Anhaften des Indikatormaterials4 auf der Oberfläche des Faserbündels2 förderte. Das Indikatormaterial4 benetzt die Oberfläche des Faserbündels2 gleichförmig, wobei ein Gehalt an Indikatormaterial4 bezogen auf das Gesamtgewicht des Kohlenstofffasermaterials1 weniger als 2 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 1 Gew.-%, beträgt. Durch das Indikatormaterial4 wird eine Röntgenaktivität in das Kohlenstofffasermaterial1 eingetragen. Dies bedeutet, dass sich bei Durchführen einer röntgenographischen Untersuchung oder einer CT-Analyse das Indikatormaterial4 kontrastreich von jeglichem kohlenstoffhaltigen Material abhebt. Wird das Kohlenstofffasermaterial1 unter Verwendung eines organischen Matrixmaterials wie z.B. eines Polyacrylats, eines Polyurethans oder eines Epoxidharzes zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet, so ist nach der Fertigstellung des Kohlenstofffaserverbundbauteils der Verlauf, d.h. die Faserorientierung und Faserverteilung, der darin enthaltenen Kohlenstofffaserbündel2 durch Röntgenabsorption des Indikatormaterials4 darstellbar, also visualisierbar. Bestehen Faserfehlstellen im Kohlenstofffasermaterial1 , so ist an diesen Stellen kein Indikatormaterial4 vorhanden, und eine Röntgenabsorption findet an dieser Stelle nicht statt. Ein gleichmäßig intensives Röntgenbild weist hingegen auf eine homogene Faserorientierung und Faserverteilung im Faserverbundbauteil hin. -
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Kohlenstofffasermaterials1 im Schnitt. Im Unterschied zu dem Kohlenstofffasermaterial1 aus1 ist die in2 dargestellte Kohlenstofffaser, die in Form eines Faserbündels2 (Roving) ausgebildet ist, allseitig von einem Indikatormaterial4 umgeben. Das Indikatormaterial bedeckt damit die gesamte Oberfläche des Faserbündels2 . Faserfehlstellen, also Stellen, an denen folglich auch kein Indikatormaterial4 vorliegt, können so noch sicherer und vollständiger erkannt werden. -
3 zeigt eine dritte Ausgestaltung eines Kohlenstofffasermaterials1 . Auf der Oberfläche des Faserbündels2 ist das Indikatormaterial4 streifenförmig parallel zur Längsachse des Faserbündels2 angeordnet. Durch diese Anordnung können insbesondere Faserwinkelabweichungen aufgefunden werden. - Im Detail zeigt
4 eine Draufsicht auf ein Kohlenstofffasermaterial10 gemäß einer vierten Ausführungsform. Das Kohlenstofffasermaterial10 ist in Form eines Faserhalbzeugs30 , genauer gesagt in Form eines Fasergeleges, ausgebildet. Das Fasergelege ist aus einzelnen Kohlenstofffaserbündeln20 geformt, wie sie beispielsweise in1 dargestellt sind. Auf der Oberfläche des Faserhalbzeugs30 ist ein Indikatormaterial4 angeordnet. Das Indikatormaterial4 wurde nach Herstellung des Faserhalbzeugs30 beispielsweise durch Aufsprühen oder Aufwalzen einer wie vorstehend beschriebene Indikatormaterialzusammensetzung appliziert. Auch in dieser Ausführungsform weist ein gleichmäßig intensives Röntgenbild auf eine homogene Faserverteilung von Kohlenstofffasern im Faserverbundbauteil hin. Faserfehlstellen im Kohlenstofffasermaterial10 äußern sich hingegen durch ein Ausbleiben von Röntgenabsorption in diesem Bereich, da an diesen Stellen kein Indikatormaterial4 vorhanden ist. -
5 ist eine Röntgenaufnahme eines Kohlenstofffaserverbundbauteils100 , das unter Verwendung des Kohlenstofffasermaterials10 aus4 hergestellt wurde. Im Detail wurden drei Fasergelege des Kohlenstofffasermaterials10 übereinander gestapelt im RTM-Verfahren mit einem Epoxidharz getränkt und ausgehärtet. Zur Herstellung des Kohlenstofffasermaterials10 wurde das Indikatormaterial4 , im vorliegenden Fall BaSO4, mittels einer Dispergiermittel-enthaltenden Indikatormaterialzusammensetzung über eine Lochblende auf die Oberfläche des Fasergeleges aufgebracht, was eine gleichmäßige Applikation von Indikatormaterial4 ergab. Zur Aufnahme des Röntgenbildes wurde eine Röntgenanlage der Fa. Yxlon mit einer 225kV-Direktstrahler-µ-Focus-Röntgenröhre (Wolfram/Molybdän) und einem Digitaldetektor mit CsI-Szintillatoren verwendet. Alternativ können Gammastrahler (Cobalt, Caesium, etc.) als Strahlenquelle und klassische Filmentwicklung oder Bildverstärker eingesetzt werden, um die Röntgenabsorption des Indikatormaterials4 zu visualisieren. Ebenfalls kann auch eine Auswertung in 3D digitalisiert erfolgen. Durch die geringe Absorption der Kohlenstofffasern sowie des Kohlenstoffhaltigen Epoxidharzes, tritt die Absorption des Indikatormaterials4 in Form von Indikatorpunkten schon bei sehr geringen Verstärkungen (30–60kV Röhrenspannung) auf. Das Röntgenbild zeigt eine sehr gleichmäßige Verteilung der Indikatorpunkte, was auf eine homogene Faserorientierung und Faserverteilung im dem Faserverbundbauteil100 zu Grund liegenden Kohlenstofffasermaterial10 hinweist. Fehlstellen werden nicht beobachtet. - Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kohlenstofffasermaterial
- 2
- Kohlenstofffaserbündel
- 3
- Kohlenstofffaserfilament
- 4
- Indikatormaterial
- 10
- Kohlenstofffasermaterial
- 20
- Kohlenstofffaserbündel
- 30
- Faserhalbzeug
- 100
- Kohlenstofffaserverbundbauteil
- 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 02214191 A1 [0002]
Claims (12)
- Kohlenstofffasermaterial enthaltend Kohlenstofffasern und mindestens ein Indikatormaterial (
4 ), wobei das Indikatormaterial (4 ) ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist. - Kohlenstofffasermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Verbindung des Elements ausgewählt ist aus Salzen, Oxiden und Komplexen des chemischen Elements.
- Kohlenstofffasermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehalt an Indikatormaterial (
4 ) bezogen auf das Gesamtgewicht des Kohlenstofffasermaterials (1 ,10 ) weniger als 5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 2 Gew.-%, beträgt. - Kohlenstofffasermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Indikatormaterial (
4 ) ausgewählt ist aus: Kupfer, Gold, Silber, Zinn, Blei, röntgenaktivem Glas, BaSO4, CaSO4, MgSO4, SiO2, ZrO2, SnO2, BaCl2, MgCl2, CaCl2, TiO2, Triiodbenzoesäure und deren Derivate. - Kohlenstofffasermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Indikatormaterial (
4 ) in Form von Fasern oder Partikeln vorliegt. - Kohlenstofffasermaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel eine durchschnittliche Partikelgröße von kleiner als 10 µm, vorzugsweise von kleiner als 5 µm, aufweisen.
- Kohlenstofffasermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstofffasermaterial (
1 ,10 ) in Form von Kohlenstofffaserbündeln (2 ) oder in Form eines Faserhalbzeugs (30 ) vorliegt. - Faserverbundbauteil, enthaltend ein Kohlenstofffasermaterial (
1 ,10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein Matrixmaterial. - Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstofffasermaterials (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: – Herstellen einer Indikatormaterialzusammensetzung enthaltend mindestens ein Indikatormaterial (4 ) und mindestens ein Dispergiermittel, wobei das Indikatormaterial (4 ) ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist, – Bereitstellen von Kohlenstofffasern und – Aufbringen der Indikatormaterialzusammensetzung auf die Kohlenstofffasern. - Verfahren zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen (
100 ), umfassend die Schritte: – Herstellen einer Indikatormaterialzusammensetzung enthaltend mindestens ein Indikatormaterial (4 ) und mindestens ein Dispergiermittel, wobei das Indikatormaterial (4 ) ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist, – Bereitstellen von Kohlenstofffasern, – Aufbringen der Indikatormaterialzusammensetzung auf die Kohlenstofffasern, – Verarbeiten der Kohlenstofffasern zu einem Faserhalbzeug (30 ), – Aufbringen eines Matrixmaterials auf das Faserhalbzeug (30 ), – Durchführen einer röntgenographischen oder computertomographischen Untersuchung. - Verfahren zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in Kohlenstofffaserverbundbauteilen (
100 ), umfassend die Schritte: – Herstellen einer Indikatormaterialzusammensetzung enthaltend mindestens ein Indikatormaterial (4 ) und mindestens ein Dispergiermittel, wobei das Indikatormaterial (4 ) ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist, – Bereitstellen von Kohlenstofffasern, – Verarbeiten der Kohlenstofffasern zu einem Faserhalbzeug (30 ), – Aufbringen der Indikatormaterialzusammensetzung auf das Faserhalbzeug (30 ), – Aufbringen eines Matrixmaterials auf das Faserhalbzeug (30 ) und – Durchführen einer röntgenographischen oder computertomographischen Untersuchung. - Verwendung eines Indikatormaterials (
4 ) zur Analyse der Faserorientierung und/oder der Faserverteilung von Kohlenstofffasern in einem Kohlenstofffaserverbundbauteil (100 ), wobei das Indikatormaterial (4 ) ein chemisches Element oder eine Verbindung eines chemischen Elements mit einer Ordnungszahl ≥ 14 ist.
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