DE102016116053B4

DE102016116053B4 - Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit

Info

Publication number: DE102016116053B4
Application number: DE102016116053.9A
Authority: DE
Inventors: Hamid G. Kia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: US10113250B2; CN106521718B; DE102016116053A1; CN106521718A; US20170067186A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit, das Verfahren umfassend:Einführen einer kontinuierlichen Vorläuferfaser umfassend einen Polymerwerkstoff in eine erwärmte Umgebung; undRichten von Laserenergie in Richtung einer Vielzahl von diskreten Zielbereichen der kontinuierlichen Vorläuferfaser während des Aufenthalts in der erwärmten Umgebung, um eine endloskontinuierliche Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen zu schaffen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit.
HINTERGRUND
Kohlenstofffasern werden im Allgemeinen durch Karbonisieren oder Graphitisieren von Kohlenstofffaser-Vorläufermaterial-Fasern hergestellt. Konventionelle Kohlenstofffaservorläufer können aus Polyacrylnitril (PAN), Petroleumasphalt oder Kunstseidevorläufern als Beispiel geformt werden. Kohlenstofffasern und Graphitfasern werden hergestellt und bei unterschiedlichen Temperaturen wärmebehandelt und weisen damit jeweils unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt auf. Typischerweise ist eine Kohlenstofffaser eine Faser mit mindestens etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff.
Kohlenstofffasern werden als leichtgewichtige Verstärkungsphase verwendet, um hochfeste leichtgewichtige polymere Verbundmaterialien herzustellen. Die Kohlenstofffasern können Endlosfasern sein, die tausende Mikrometer (µm) oder Millimeter (mm) lang sind. Eine Gruppe von Endloskohlenstoffasern wird häufig als ein Bündel von Endloskohlenstofffaserfilamenten kategorisiert. Kohlenstofffaser „Tau“ wird üblicherweise als eine Anzahl von Filamenten in Tausenden (als K nach der entsprechenden Tau-Zahl bezeichnet). Alternativ können Kohlenstofffaserbündel geschnitten oder gemahlen werden und bilden somit kurze Abschnitte von Kohlenstofffasern (Filamenten oder Bündeln), typischerweise mit einer mittleren Faserlänge zwischen 50 µm und 50 mm (etwa 1,97 Zoll). Während Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern alle leichtgewichtig und hochfest sind, weisen Verbunde mit Endloskohlenstofffaserfilamenten eine besonders hohe Festigkeit gegenüber Verbundwerkstoffen mit geschnittenen oder gemahlenen Kohlenstofffasern auf. Als nicht einschränkendes Beispiel hat ein repräsentatives unidirektionales Endloskohlenstofffaserfilament, wenn es in einen Verbundwerkstoff eingearbeitet ist, eine ultrahohe Zugendfestigkeit von etwa 1500 bis 2000 MPa, während geschnittene Kohlenstofffasern eine Zugendfestigkeit von etwa 200 MPa bis 500 MPa aufweisen.
Während die ultrahohen Festigkeiten bei bestimmten Anwendungen äußerst wünschenswert sind, ist eine technische Herausforderung beim Verwenden von Endloskohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen das Fehlen von Fließfähigkeit und Verformbarkeit, da Verbundwerkstoffprepregs mit Endloskohlenstofffasern zu steif mit hoher Fließwiderstand sein können. Solche Unflexibilität und Steifigkeit führt zu schlechter Verformbarkeit, erschwert die Anfertigung dreidimensionaler Formen von Verbunden mit Endloskohlenstofffasern. Es wäre wünschenswert, Endloskohlenstofffaserverbundwerkstoffe mit größerer Flexibilität, höherer Fließfähigkeit und somit größerer Verformbarkeit mit der Fähigkeit zum leichten Bilden komplexer und dreidimensional geformter Komponenten mit ultrahoher Festigkeit zu formen.
Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser ist in der Druckschrift DE 35 40 411 A1 beschrieben.
KURZDARSTELLUNG
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zum Verwenden in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit zur Verfügung. Das Verfahren umfasst das Einführen einer Endloskohlenstoffvorläuferfaser, die ein Acrylpolymermaterial umfasst, in eine erwärmte Umgebung. Das Verfahren beinhaltet auch das Richten von Laserenergie in Richtung einer Vielzahl von diskreten Zielbereichen der Endloskohlenstoffvorläuferfaser, während sich diese in der erwärmten Umgebung befindet. Dadurch entsteht eine durchgehende Karbonfaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen.
In anderen Aspekte betrachtet die vorliegende Offenbarung ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbunden mit verbesserter Verformbarkeit. Das Verfahren umfasst das Einführen einer Endloskohlenstoffvorläuferfaser, umfassend ein Acrylpolymermaterial, in eine erwärmte Umgebung. Eine Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen entsteht durch intermittierendes Anwenden mechanischer Belastung auf die diskreten Zielbereiche der Endloskohlenstoffvorläuferfaser, während sie sich in der erwärmten Umgebung befindet. Dadurch entsteht eine durchgehende Karbonfaser mit einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen.
In noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbunden mit verbesserter Verformbarkeit bereitgestellt, das das Einführen einer Endloskohlenstofffaser, die ein Acrylpolymermaterial umfasst, in einen Oxidationsofen oder Ofen zur thermischen Stabilisierung der Vorläuferfaser umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Einführen der Vorläuferfaser in einen Karbonisierungsofen oder Ofen zum Karbonisieren der Vorläuferfaser zum Bilden einer Endloskohlenstofffaser. Es wird Laserabtragung und insbesondere mechanische Beanspruchung intermittierend auf diskrete Zielbereiche der Endloskohlenstofffaser zum Herstellen einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden intakten schwachen Bereichen in der Endloskohlenstofffaser angewendet, während sich die Vorläuferfaser in dem Oxidationsofen oder dem Karbonisierungsofen befindet.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung ersichtlich.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar.

1 ist eine Darstellung einer Endloskohlenstofffaser, gefertigt nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, mit einer Vielzahl von diskreten relativ schwachen Bereichen, die in die Endloskohlenstofffaser eingestreut sind und als Sollbruchstellen dienen, wenn Kraft oder Belastung auf die Endloskohlenstofffaser angewendet werden.
2 ist eine Darstellung eines polymeren Verbundwerkstoffs mit einer Vielzahl von Endloskohlenstofffaserfilamenten, hergestellt nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Jedes jeweilige Kohlenstofffaserfilament besitzt eine Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden, relativ schwachen eingestreuten Bereichen oder Sollbruchstellen darin.
3 zeigt ein Bündel einer Vielzahl von Endloskohlenstofffaserfilamenten, hergestellt nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Jedes jeweilige Endloskohlenstofffaserfilament weist eine Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden, schwachen Bereichen auf, die darin eingestreut sind. Die diskreten schwachen Bereiche sind gestaffelt und versetzt gegenüber schwachen Bereichen in den benachbarten Kohlenstofffaserfilamenten.
4 zeigt ein exemplarisches Kohlenstofffaserherstellungsverfahren einschließlich Zonen für thermisches Stabilisieren, Karbonisieren und Graphitisieren der Vorläuferfasern.
5 zeigt ein System zum Anwenden von Laserenergie auf Endloskohlenstofffaservorläufer, während sie sich in einer beheizten Umgebung, wie einem Ofen zum Ausbilden einer Vielzahl von diskreten Bereichen mit lokalisierten molekularen Defekten, befinden, die als schwachen Bereiche oder Sollbruchstellen bei der Weiterverarbeitung zu einer Kohlenstofffaser nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung dienen.
6 zeigt ein Walzenvorrichtungsystem zum Anwenden von intermittierendem mechanischem Druck auf Endloskohlenstofffaservorläufer, während sie sich in einer beheizten Umgebung wie einem Ofen zum Ausbilden einer Vielzahl von diskreten Bereichen mit lokalisierten molekularen Defekten befinden, die als schwache Bereiche oder Sollbruchstellen bei der Weiterverarbeitung zu einer Kohlenstofffaser nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung dienen.
7 zeigt eine weitere alternative Walzenvorrichtung mit einer Vielzahl von Vorsprüngen zum Anwenden von intermittierendem mechanischem Druck auf Endloskohlenstofffaservorläufer, während sie sich in einer beheizten Umgebung, wie einem Ofen zum Ausbilden einer Vielzahl von diskreten Bereichen mit lokalisierten molekularen Defekten, befinden, die als schwachen Bereiche oder Sollbruchstellen bei der Weiterverarbeitung zu einer Kohlenstofffaser nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung dienen.

Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt. Es werden zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, wie z. B. Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Einzelheiten möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen. Wie hier verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalten“ und „haben“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nichteinschränkender Begriff zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener hier festgelegter Ausführungsformen verstanden werden soll, kann in bestimmten Aspekten der Begriff alternativ verstanden werden, ein mehr begrenzender und einschränkenden Begriff, wie „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“, zu sein. Somit beinhaltet, für eine gegebene Ausführungsform Angabe Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Operationen, und/oder Verfahrensschritte, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch beinhaltet Ausführungsformen aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Operationen, und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus,“ der alternativen Ausführungsform ist keine zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Operationen, und/oder Verfahrensschritte, während bei „im Wesentlichen bestehend aus“ einem zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Operationen, und/oder Verfahrensschritte dass stoffschlüssig beeinflussen die Grund- und neuartige Eigenschaften ausgeschlossen sind von einer solchen Ausführungsform, aber jede Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Operationen, und/oder Verfahrensschritte die nicht materialmäßig auf die Grund- und neue Eigenschaften in dem Ausführungsbeispiel.
Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Verfahren und Betriebsvorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
Wenn ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Ausdrücke erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehendes diskutiertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „unteres“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene Anordnungen der in Anwendung oder in Betrieb befindlichen Einrichtung zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
Durchweg stellen in dieser Offenbarung die numerischen Werte ungefähre Messwerte oder Grenzen zu Bereichen zum Umfassen kleiner Abweichungen von bestimmten Werten und Ausführungsformen dar, mit dem genannten Wert bedeutend „ungefähr“ sowie mit dem genannten Wert bedeutend „genau“. Anders als die in den Ausführungsbeispielen der detaillierten Beschreibung sind alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass in allen Fällen der Begriff „etwa“ oder nicht „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ zeigt an, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (bei Annäherung an die Exaktheit im Wert; etwa oder zum Beispiel vernünftig nahe an den Wert; fast). Falls die Ungenauigkeit, die durch den Ausdruck „ungefähr“ vorgesehen ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hier verwendet, mindestens Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben.
Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte, einschließlich Endpunkten und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Verbesserung der Verformbarkeit von Verbundwerkstoffen mit Kohlenstofffasern als Verstärkungsphase bereit. Wie oben erwähnt, sind sie, während polymere Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern hochfest und leichtgewichtig sind, typischerweise schwierig in komplexe dreidimensional geformte Komponenten zu bringen. Kohlenstofffaserverstärkte polymere Verbundwerkstoffe (CFRP) umfassen ein Harz, das ausgehärtet wird und/oder verfestigt wird, um eine Polymermatrix mit einer Vielzahl von Kohlenstofffasern als eine Verstärkungsphase zu bilden. CFRPs sind häufig aus einem Prepreg hergestellt, wobei die Kohlenstofffasern mit ungehärtetem oder teilgehärtetem Harz imprägniert werden. Eine Komponente oder ein Teil kann ausgebildet werden, indem der Prepreg als Auflage auf einen Dorn oder eine Form gelegt wird, wo er dann zu der endgültigen Komponente verdichtet und gehärtet wird.
In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung gilt für die Verwendung von Endloskohlenstofffasern, die in gewissen Aspekten eine Länge von größer oder gleich ungefähr zwei Zoll (5,08 cm) aufweisen, als vergleichbar mit geschnittenen oder gemahlenen Kohlenstofffasern. In bestimmten Aspekten weist eine Endloskohlenstofffaser eine Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll (5,08 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 3 Zoll (7,62 cm), größer oder gleich ungefähr 4 Zoll (10,16 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 5 Zoll (12,7 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 6 Zoll (15,24 cm), gegebenenfalls größer oder gleich etwa 7 Zoll (17,78 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 8 Zoll (20,32 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 9 Zoll (22,86 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 10 Zoll (25,4 cm), gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 11 Zoll (27,94 cm), und in bestimmten Variationen gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 12 Zoll (oder 1 Fuß) (30,48 cm), auf. Endloskohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffe weisen sehr hohe Festigkeiten und hohe Steifigkeit (mit hohen Elastizitätsmodul-Werten) auf. Jedoch sind ohne weitere Behandlung solche Endloskohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffe nicht leicht in konturierte oder komplexe dreidimensionale Formteile zu bringen.
Zwei Techniken werden derzeit verwendet, um komplexe Formteile von Endloskohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffen zu formen, jedoch leiden beide an bestimmten Nachteilen. Die erste Technik weist durchgehende Kohlenstofffasern in einer Verbundwerkstoffschicht mit unidirektionalen Kohlenstofffasern auf, aber dann trennt sich die größere Verbundschicht in mehrere kleinere Stücke (entweder als Prepreg oder kurz vor dem Formen der Komponente). Die kleiner geschnitten Stücke sind dann so zusammengefügt, dass die Ränder benachbarter Stücke sich in einem manuellen Auflegeverfahren zum Erstellen einer größeren Struktur überlappen. Die kleineren Stücke weisen somit Hunderttausende von Endloskohlenstofffaserfilamenten auf (z. B. geschnittene Bündel), die auf der (den) gleichen Schneidlinie(n) enden. Während die kleineren Stücke aufeinander gelegt werden können, um komplexere Formen und Konturen herzustellen, hat diese Technik den Nachteil, dass sie die Gesamtfestigkeit des Teils vermindert, da die unidirektionalen Kohlenstofffaserfilamente alle entlang der gleichen Schnittlinie enden. Wenngleich die geschnittenen Teile überlappen, verbleiben verschiedene Orten oder Bereiche für die Ausbreitung von Stress und Bruch in dem gesamten Verbundwerkstoff entlang der Schnittlinien, die die Gesamtfestigkeit vermindern.
Alternativ können mittels einer anderen Technik die Kohlenstofffaserbündel in kürzere Faserabschnitte geschnitten oder gemahlen werden, typischerweise mit einer maximalen Länge von weniger als etwa 2 Zoll (5,08 cm). Jedes Bündel hat beispielsweise etwa 50.000 Filamente (z. B. 50K Tau). Normalerweise sind geschnittene Fasern homogen in einer einzigen Ausrichtung innerhalb des Verbundwerkstoffs als anisotrope Verstärkungsphase verteilt. Die geschnittenen Fasern in dem Verbundwerkstoff erlauben größere Flexibilität und im Allgemeinen geringere Steifigkeit. Dennoch sind die kurzen geschnittenen Fasern unterbrochen und stellen offene Bereichen zwischen unterschiedlichen Fasern für Belastungs- und Rissausbreitung durch das Harz/polymere Matrix bereit. Während Verbundwerkstoffe mit geschnittenen Kohlenstofffasern noch hohe Festigkeiten aufweisen, weisen sie typischerweise niedrigere Festigkeiten auf als durchgehende Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe, häufig eine Größenordnung niedriger.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden Verbundwerkstoffe mit Endloskohlenstofffasern bereitgestellt, die hohe Festigkeitswerte halten, jedoch eine verbesserte Verformbarkeit und verminderte Steifigkeit im Vergleich zu konventionellen Endloskohlenstofffaserverbundwerkstoffen aufweisen. In bestimmten Aspekten schließt das Verfahren das Herstellen von heterogenen Kohlenstofffasern mit bewusst erzeugten diskreten schwachen Bereichen entlang der Länge der Kohlenstofffaser ein, was Sollbruchstellen erlaubt, wenn Belastung oder Kraft ausgeübt wird. Die schwachen Bereiche sind an diskreten und regelmäßigen, nicht zusammenhängenden Abständen entlang der Länge jeder Kohlenstofffaser gebildet. Ein Bündel einer Vielzahl solcher Endloskohlenstofffaserfilamente mit den diskreten schwachen Bereichen wird auch betrachtet und kann in einen polymeren Verbundwerkstoff eingearbeitet werden. Wie hier weiter besprochen wird, sind die diskreten schwachen Bereiche vorzugsweise versetzt zu benachbarten Endloskohlenstofffaserfilamenten.
1 zeigt exemplarisch eine Endloskohlenstofffaser 20, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. In 1 weist die Endloskohlenstofffaser 20 eine Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen 22 auf, die entlang einer Länge 24 der Kohlenstofffaser 20 geformt sind. Somit weist die Kohlenstofffaser 20 einen Körper 26 mit hoher Festigkeit auf, der die Vielzahl von schwachen Bereichen 22 verteilt innerhalb der hochfesten Bereiche des Körpers 26 aufweist. In bestimmten Aspekten ist ein schwacher Bereich 22 als ein Bereich vorgesehen, der bevorzugt reißt oder bricht, wenn Belastung im Vergleich zu dem Rest des Körpers 26 angewendet wird.
In bestimmten Aspekten kann ein schwacher Bereich verstanden werden, dass er eine Festigkeit besitzt (z. B. eine maximale Zugfestigkeit), die mindestens etwa 50 % weniger als eine vergleichbare endgültige Zugfestigkeit eines Rests der Endloskohlenstofffaser beträgt, gegebenenfalls mindestens etwa 60 %, gegebenenfalls mindestens ungefähr 70 %, gegebenenfalls mindestens etwa 80 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls mindestens etwa 90 % weniger als eine vergleichende Festigkeit der Hochfestigkeitsbereiche des Rest des Körpers der Kohlenstofffaser beträgt. In einem Beispiel besteht die kontinuierliche Faser aus PAN und weist eine Zugfestigkeit von 5000 MPa auf, während der schwache Bereich ligninbasiert ist und eine Zugfestigkeit von 100 MPa aufweist. Der schwache Lignin-Bereich wies eine etwa 98 % geringere Festigkeit auf als der starke PAN-Bereich. In der Vergangenheit war ein Ziel, bei der Bildung konventioneller Endloskohlenstofffasern das Einführen von Verunreinigungen oder Materialien, die möglicherweise zu schwächeren Bereichen führen, zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Kohlenstofffasern eine gleichmäßig hohe Festigkeit entlang der Länge der Kohlenstofffaser aufweisen. Jedoch, wie nachfolgend näher beschrieben, erlaubt das Einführen dieser schwachen Bereichen oder Bereiche in Übereinstimmung mit gewissen Aspekten der vorliegenden Offenbarung das Formen von Kohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffen mit hoher Festigkeit und niedrigem Widerstand gegen Fließen, wodurch sie verformbarer und formbarer werden.
In 2 wird ein Kohlenstofffaser-verstärkter Verbundwerkstoff 50 nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Der Verbundwerkstoff 50 weist mehrere Endloskohlenstofffasern 60 und eine Polymermatrix 61 auf, die in und um die Kohlenstofffasern 60 verteilt ist. Der Endloskohlenstofffasern 60 weisen eine Vielzahl von schwachen Bereichen 62 auf, die nicht zusammenhängend und damit in regelmäßigen Abständen verteilt entlang jeder Endloskohlenstofffaser 60 angeordnet sind. Die Vielzahl von schwachen Bereichen 62 ist in den Endloskohlenstofffasern 60 über eine Breite 66 des Verbundwerkstoffs 50 gestaffelt. Somit unterscheiden sich die Orte der schwachen Bereiche 62 entlang einer Länge 68 jeder Endloskohlenstofffaser 60 gegenüber benachbarten Kohlenstofffasern 60. In dieser Weise sind die Endloskohlenstofffasern 60 in der Lage, an den schwachen Bereichen 62 zu brechen, wenn sie gebogen, gefaltet oder anderweitig belastet werden, erlauben jedoch keine Ausbreitung von Belastung und Bruch über die Breite 66 oder die Länge 68 des Verbundwerkstoffs 50. Dies hält die Festigkeit des Verbundwerkstoffs 50 nahe dem gleichen Festigkeitspegel von konventionellen Endloskohlenstofffasern, stellt aber auch eine geringere Steifigkeit und größere Flexibilität bereit (mit einem geringeren Fließwiderstand).
In bestimmten Aspekten wird eine Vielzahl von mehreren Endloskohlenstofffasern (z. B. ein Bündel von Kohlenstofffaserfilamenten) durch die vorliegende Offenbarung betrachtet, wobei jede eine Mehrzahl von diskreten schwachen Bereichen aufweist. Eine erste Endloskohlenstofffaser weist eine erste Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen auf und eine zweite Endloskohlenstofffaser, die der ersten Endloskohlenstofffaser benachbart ist, weist eine zweite Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen auf. Die erste Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen ist gestaffelt zu der zweiten Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen, wenn die erste Endloskohlenstofffaser und die zweite Endloskohlenstofffaser in Längsrichtung ausgerichtet sind.
3 erläutert ferner dieses Konzept und stellt einen ausführlichen Abschnitt einer Teilansicht eines Bündels 80 mit einer Vielzahl von Endloskohlenstofffaserfilamenten oder Fasern 82 dar. Jede Kohlenstofffaser beinhaltet eine Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen 84, die entlang eines Körpers 86 von jeder Faser 82 geformt sind. Eine erste Kohlenstofffaser 92 weist eine Vielzahl von ersten diskreten schwachen Bereichen 94 auf, die innerhalb eines Körpers 96 mit relativ höherer Festigkeit verteilt sind. Jeder diskrete schwache Bereich 94 ist entlang des Körpers in regelmäßigen Abständen angeordnet (z. B. mit gleicher Entfernung zwischen jeweiligen schwachen Bereichen 94). Eine zweite Kohlenstofffaser 102 ist der ersten Kohlenstofffaser 92 benachbart. Die zweite Kohlenstofffaser 102 weist eine Vielzahl von zweiten diskreten schwachen Bereichen 104 auf, die entlang einer Länge eines Körpers 106 in regelmäßigen Abständen verteilt sind. Eine dritte Kohlenstofffaser 112 ist der zweiten Kohlenstofffaser 102 benachbart. Die dritte Kohlenstofffaser 112 weist eine Mehrzahl von dritten diskreten schwachen Bereichen 114 auf, die entlang einer Länge eines Körpers 116 in regelmäßigen Abständen verteilt sind. Wie zu sehen ist, ist die Vielzahl der ersten diskreten schwachen Bereiche 94 von den zweiten diskreten schwachen Bereichen 104 in der benachbarten Kohlenstofffaser durch eine erste Entfernung 118 versetzt. Die Vielzahl der zweiten diskreten schwachen Bereiche 104 sind ebenfalls von den dritten diskreten schwachen Bereichen 114 in der benachbarten dritten Kohlenstofffaser 112 durch eine zweite Entfernung 120 versetzt. In dieser Weise sind die Vielzahl von ersten diskreten schwachen Bereichen 94, die Vielzahl von zweiten diskreten schwachen Bereichen 104 und die Vielzahl der dritten diskreten schwachen Bereiche 114 bezüglich einer sowohl einer Breite 122 als auch einer Länge 124 des Bündels 80 gestaffelt und versetzt.
Als solches sind, während Unterbrechungsstellen gezielt in die Kohlenstofffasern 82 der Bündel eingeführt werden, die schwachen Bereiche über den hochfesten Körper 86 jeder Faser nicht zusammenhängend und verstreut. Diese Ausgestaltung stellt eine höhere Fähigkeit zum Anpassen und Geformtwerden bei gleichzeitiger Minimierung von Bruch- und Rissausbreitung bereit und hält somit die ultrahohen Festigkeiten im Zusammenhang mit Bündeln von Endloskohlenstofffasern aufrecht. Es sollte erwähnt werden, dass die Vielzahl von Bereichen in kürzeren oder längeren Abständen voneinander beabstandet sein kann und mit unterschiedlichen Abständen in unterschiedlichen Endloskohlenstofffaser/Filamenten des Bündels beabstandet sein kann. Weiterhin kann bei alternativen Variationen das Beabstanden zwischen den schwachen Bereichen nicht gleichförmig zwischen verschiedenen Bereichen sein und kann unter bestimmten Aspekten wahllos sein. Insbesondere ist, je länger der Abstand zwischen den schwachen Bereiche der Endloskohlenstofffaser ist, die Steifigkeit und Festigkeit des geformten Verbundwerkstoffs bei dem Einarbeiten von solchen Endloskohlenstofffasern desto höher. Wo größere Verformbarkeit und Flexibilität für den Verbundwerkstoff gewünscht ist, kann die Entfernung zwischen den schwachen Bereichen der Endloskohlenstofffaser kürzer sein. Dies stellt eine größere Anzahl von Sollbruchstellen (höhere Bruchstellendichte) innerhalb der Endloskohlenstofffasern bereit, was einem Verbundwerkstoff weniger Fließwiderstand, jedoch auch ein wenig verringerte Festigkeit verleiht.
In bestimmten Aspekten ist jeder jeweilige schwache Bereich getrennt von einem benachbarten schwachen Bereich in der Endloskohlenstofffaser durch eine Entfernung größer oder gleich ungefähr 0,1 Zoll (0,254 cm) bis kleiner als oder gleich ungefähr 12 Zoll (30,48 cm) beabstandet. In bestimmten anderen Aspekten ist ein geeigneter Bereich größer oder gleich ungefähr 3 Zoll (7,62 cm) bis kleiner als oder gleich etwa 6 Zoll (15,24 cm).
In bestimmten Aspekten stellt ist jeder jeweilige schwache Bereich, der in der Endloskohlenstofffaser ausgebildet ist, eine Schwachstelle für Bruch dar, daher ist eine Länge des schwachen Bereichs in der Faser von geringerer Bedeutung als die Länge zwischen schwachen Bereichen. Jedoch kann in bestimmten Variationen ein schwacher Bereich eine Länge von weniger als oder gleich etwa 0,01 Zoll (0,0254 cm) aufweisen. In bestimmten Aspekten hat jeder schwache Bereich hat eine Länge von größer oder gleich ungefähr 0,10 Zoll (0,254 cm) bis kleiner als oder gleich etwa 1,0 Zoll (2,54 cm).
In bestimmten Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit. Als Hintergrundinformation beinhaltet ein typisches Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser zunächst das Ausbilden eines Kohlenstofffaservorläufers. Ein auf Polymer basierender Kohlenstofffaservorläufer wird in ein Kohlenstofffaserfilament umgewandelt. Somit werden ein oder mehrere Monomere zu einem Polymermaterial geformt. In bestimmten Variationen umfasst das Polymer ein Acrylpolymermaterial. In bestimmten Aspekten wird das Polymermaterial aus einem Acrylnitrilmonomer gebildet und kann somit ein Polyacrylnitril(PAN)polymer sein. Bei der Bildung der konventionellen Kohlenstofffaservorläufer können ein oder mehrere Comonomere mit dem Acrylnitrilmonomer polymerisiert werden. Die Acrylpolymermaterial kann ein Copolymer aus einem Acrylnitrilmonomer und einem zweiten Monomer sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, wie Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Methylmethacrylat, Vinylacetat und dergleichen, Vinylamiden wie Acrylamid Diacetonacrylamid und dergleichen, Vinylhalogeniden, wie Allylchlorid, Vinylbromid, Vinylchlorid und dergleichen, Salzen von Vinylverbindungen, wie quaternäres Ammoniumsalz von Aminoethyl-2-methylpropenoat, Salzen von Sulfonsäuren, wie Natriumvinylsulfonat monomer, Natrium-p-styrolsulfonatmonomer, und dergleichen und Kombinationen davon. Die am häufigsten verwendeten Comonomere beinhalten Itaconsäure, Methacrylsäure, Acrylsäure, und/oder Acrylamid, das mit Acrylnitril polymerisiert ist.
Nach der Polymerisation kann das Acrylpolymermaterial mit einem oder mehreren Trägern oder Lösungsmitteln kombiniert und versponnen werden und dann, beispielsweise, durch Schmelz- oder Lösungsverspinnen eine Vielzahl von kontinuierlichen Vorläuferfasern oder Filamenten formen. Das Spinnverfahren für acrylische Polymervorläufer auf Basis PAN kann unter Verwendung herkömmlicher Fertigungstechniken durchgeführt werden, die gut bekannt sind. Das Spinnverfahren kann das Formen der Faservorläufer in einem Spinnbad durch Ausstoßen von Polymermaterial aus einer Düse oder einer Spinndüse umfassen. Die Vorläuferfasern können dann in ein zweites Waschbad zum Abwaschen der Fasern von Lösungsmittel befördert werden und können dann durch ein Ziehbad durchgeleitet werden. Die Fasern können in einem solchen Ziehbad verstreckt werden. Die Vorläuferfasern können dann getrocknet werden. Die Kohlefaservorläufer kann zum Erreichen molekularer Ausrichtung gestreckt werden. Die Kohlefaservorläufer kann auf einen Korb zum Transport zu einer Anlage zur Herstellung von Kohlefasern aus den Vorläuferfasern aufgewickelt werden.
Ein exemplarisches Kohlenstofffaserherstellungsverfahren 130 ist in 4 dargestellt. Vor der Wärmebehandlung zum Starten des Ausbildens der Kohlenstofffaser können die Vorläuferfasern können flach ausgebreitet werden, um ein Tau-Band für eine Kettschicht zu bilden. Die kontinuierliche Vorläuferfaser 140 wird auf einem Korb 142 bereitgestellt. Die Vorläuferfaser 140 kann vorbehandelt und über eine Vielzahl von Streckwalzen 144 gestreckt werden. Die Vorläuferfaser 140 kann einer anfänglichen thermischen Stabilisierung (z. B. Oxidation) zum Erzielen qualitativ hochwertiger Kohlenstofffasern unterworfen werden. Eine solcher anfänglicher thermischer Stabilisierungsschritt wird typischerweise durch Einführen der Vorläuferfaser 140 in eine erwärmte Umgebung, hier ein Oxidationsofen 150, durchgeführt. Die Vorläuferfasern 140 werden bei einer geregelten relativ niedrigen Temperatur, beispielsweise 200-300 °C in Luft, erwärmt zum Umwandeln in eine Form, die ohne entweder Schmelzen oder Zusammenschmelzen der Fasern weiter wärmebehandelt werden kann. Der lineare, PAN-basierte Polymervorläufer wird während dieses anfänglichen thermischen Stabilisierungsschrittes typischerweise mindestens teilweise zu zyklischen Strukturen umgewandelt. Somit kann die gestreckte Vorläuferfaser 140 dann durch den Oxidationsofen 150 geleitet werden, während der Sauerstoff aus der Luft sich mit dem Kohlenstofffaservorläufer zu vernetzten Polymerketten verbindet. Die Temperatur und der Luftstrom in dem Oxidationsofen werden zum Aufbessern der Zusammensetzung des Kohlenstofffaservorläufers verändert. Insbesondere wird eine Vielzahl von Walzen 152 in dem Oxidationsofen 150 zum Befördern der Vorläuferfaser 140 durch die Länge des Oxidationsofens 150 verwendet. Wie dargestellt, befördert die Vielzahl von Walzen 152 die Vorläuferfaser 140 in einem wellenförmigen Muster zum Verbessern der Exposition bei der relativ niedrigen Temperatur. Jedoch ist eine solche Konfiguration lediglich exemplarisch.
Anschließend kann die thermisch stabilisierte Vorläuferfaser 140A, die den Oxidationsofen 150 verlässt, einem oder mehreren Erwärmungsschritten unterworfen werden, die Karbonisieren und Graphitisieren durchführen. Diese Schritte werden typischerweise in einem oder mehreren Öfen oder Feuerungsanlagen mit einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Die thermisch stabilisierte Vorläuferfaser 140A tritt als nächstes in eine Karbonisierungsumgebung oder Zone 160 ein. Während Temperaturen variieren können, erfolgt Karbonisierung typischerweise bei Temperaturen von mindestens 1500-1600 °C. Wie in 4 dargestellt, beinhaltet die Karbonisierungszone 160 einen ersten Karbonisierungsofen oder Ofen 162 und einen zweiten Karbonisierungsofen oder Ofen 164. Innerhalb eines jeden Karbonisierungsofens (162, 164) herrscht eine inerte (z. B. sauerstoffreie und oxidansfreie) Atmosphäre. Die Temperatur des ersten Karbonisierungsofens 162 und zweiten Karbonisierungsofens 164 steigt progressiv an, wodurch Nicht-Kohlenstoff-Moleküle in Abwesenheit von Sauerstoff Partikel bilden. Die Partikel werden dann aus dem Ofen geblasen. Der zweite Karbonisierungsofen 164 kann eine relativ höhere Temperatur (z. B. etwa 1500-1800 °C) als der erste Karbonisierungsofen (z. B. um 700-1000 °C) 162 aufweisen. Die Anzahl der Karbonisierungsofen oder Feuerungsanlagen, durch die die thermisch stabilisierten Vorläuferfasern 140A hindurchgeführt werden, kann von der Sorte der hergestellten Kohlenstofffaser abhängen. Strecken wird fortgesetzt entsprechend der Durchleitung der thermisch stabilisierten Vorläuferfaser 140A durch die Karbonisierungöfen 162, 164.
Ein zusätzlicher Wärmebehandlungsschritt kann auch zum Graphitisieren durchgeführt werden. Anschließend verlässt somit der Kohlenstofffaservorläufer 140B den zweiten Karbonisierungsofen 164 in die Karbonisierungszone 160 und kann dann in einen optionalen Graphitisierensofen 170 zum zusätzlichen Wärmebehandeln einfließen. Graphitisieren tritt typischerweise durch Erhitzen des Kohlenstofffaservorläufers 140B auf eine Temperatur in einem Bereich größer oder bis etwa 1600 °C-3000 °C auf. Graphitisieren stellt ein hohes Elastizitätsmodul in der gebildeten Kohlenstofffaser bereit. Somit kann in bestimmten Variationen ein zweiphasiges Erwärmungsverfahren zum Ausbilden der Kohlenstofffaser durchgeführt werden, zuerst ein Karbonisierungsverfahren bei relativ niedriger Temperatur, das in der Karbonisierungszone 160 abläuft, gefolgt von einem optionalen Hochtemperatur-Graphitisierensverfahren, das in einem Graphitisierensofen 170 abläuft, abhängig von den endgültigen gewünschten Kohlenstofffasereigenschaften.
Nach der Kohlenstofffaservorläufer 140C von Karbonisieren und Graphitisieren erwärmt wurde, tritt er aus dem Graphitisierungsofen 170 aus. Weitere Verarbeitung kann auf dem Kohlenstofffaservorläufer 140C durchgeführt werden, einschließlich des Behandelns der Oberfläche in einem Oberflächenbehandlungstank 180 und anschließendes Behandeln in einem Beschichtungstank 182. Nachdem die Oberfläche behandelt und beschichtet wurde, wird das endgültige Kohlenstofffaserprodukt 190 geformt. Das Kohlenstofffaserprodukt 190 kann auf einen zweiten Korb 184 zum späteren Verarbeiten und Verwenden (z. B. Einbringen in Prepregs oder Verbundmaterialien) aufgerollt werden oder es kann flach gestrichen und mit einem Polymerharz zu einem Prepreg verarbeitet werden. Es sollte erwähnt werden, dass die vorstehend erörterte Kohlenstofffaserherstellung typischerweise nicht nur für eine einzelne Kohlenstofffaser ist, sondern eher das Kohlenstofffaserprodukt 190 beinhaltet Tausende von Fasern oder Filamenten, die in diesen Schritten gleichzeitig verarbeitet werden.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung somit Verfahren zur Herstellen einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit bereit. Das Verfahren kann Einführen einer kontinuierlichen Vorläuferfaser, umfassend ein Acrylpolymermaterial, in eine erwärmte Umgebung, wie einen Ofen oder einen Verbrennungsofen, beinhalten. Das Verfahren beinhaltet weiter in bestimmten Variationen das Richten von Laserenergie in Richtung einer Vielzahl von diskreten Zielbereichen der kontinuierlichen Vorläuferfaser während der Zeit in der erwärmten Umgebung (z. B. während der Vorläufer in dem Ofen ist), um eine Endloskohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen zu schaffen. Andere Energiequellen ähnlich dem Laser können ebenfalls in alternativen Variationen eingesetzt werden. Die erwärmte Umgebung kann ausgewählt sein aus einem Oxidationsofen oder Ofen zur thermischen Stabilisierung der Endloskohlenstofffaser, einem Karbonisierungsofen oder Ofen zur Karbonisierung der Endloskohlenstofffaser und/oder einem Graphitisierungsofen oder Ofens zum Graphitisieren der Endloskohlenstofffaser.
Die diskreten Bereiche sind somit vorbestimmte Bereiche oder Bereiche innerhalb der Kohlenstofffaser. Die Vielzahl von diskreten Bereichen entspricht der und bildet die Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen, nachdem alle Erwärmungsschritte (z. B. über thermische Stabilisierungs-, Karbonisierungs- und/oder Graphitisierungsprozesse) und zusätzliche Verarbeitungsverfahren zum Bilden der fertigen Kohlenstofffaser beendet sind. Somit wird Laserenergie in ausgewählten Bereichen der kontinuierlichen Vorläuferfaser zu einer heterogenen Endloskarbonfaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen strukturiert auf Laserenergie.
Somit beinhaltet das Verfahren Richten von Laserenergie auf eine Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden Zielbereichen. Heterogene Bereiche werden als Ergebnis diskrete, nicht zusammenhängender lokalisierter molekularer struktureller Unterbrechungen auf der Filamentebene des Kohlenstofffaservorläufers während des Erwärmungsvorgangs erzeugt. Die Vielzahl von diskreten Bereichen besitzt eine andere molekulare Organisation als der Rest der kontinuierlichen Vorläuferfaser, da die Laserenergie die lokalen Reaktionen und die molekulare Reorganisation unterbricht. Anwendung von Laserenergie und damit lokalisierte Wärme unterbricht den molekularen Organisationvorgang (z. B. Kristallisation) und ergibt lokalisierte molekulare strukturelle Unterbrechung, die schwächere Bereiche schafft als diejenigen Bereiche, die in einer typischen Weise während der Kohlenstofffaserherstellung erwärmt werden dürfen.
Ein derartiges Verfahren kann in einer beheizten Umgebung 200, wie dem in 5 gezeigten Ofen 202, ablaufen. Der Ofen 202 kann ein Oxidationsofen oder Ofen zur thermischen Stabilisierung der Endloskohlenstofffaser sein, ein Karbonisierungsofen oder Ofen zur Karbonisierung der Endloskohlenstofffaser und/oder ein Graphitisierungsungsofen oder Ofen zum Graphitisieren der Endloskohlenstofffaser sein. Eine Vorläuferfaser 210, beispielsweise Polyacrylnitril (PAN) kann durch Einbringen in den Ofen 202 verarbeitet werden. Laserenergie kann auf diskrete Einwirkpunkte oder Bereiche 222 der Vorläuferfaser 210 beaufschlagt werden. Die Laserenergie kann durch konventionelle Laserquellen angewendet und von einer oder mehreren Quellen oberhalb oder unterhalb des Ofens 200 in Richtung der Vorläuferfaser 210 gerichtet werden. Eine Vorrichtung, wie etwa ein Strahlteiler, kann verwendet werden, um die Laserenergie in dem vorbestimmten Muster auf verschiedene Bereiche der Vorläuferfaser 210 zu lenken. Wie in 5 veranschaulicht, sind die diskreten Bereiche 222 gestaffelt und in Längsrichtung voneinander beabstandet. Die Laserenergie kann zu Erzeugen diskreter, nicht zusammenhängender getrennt beabstandeter Bereiche innerhalb jeder Vorläuferfaser 210, die die schwachen Bereiche in der Kohlenstofffaser bilden, periodisch angewendet werden. Wie von Fachleuten erkennbar sein wird, können sich die Bereiche der Vorläuferfaser 210, in denen die Laserenergie angewendet werden kann, in Konfiguration, Beabstandung und dem Platzieren auf den Strömen unterscheiden.
In bestimmten Variationen ist die erwärmte Umgebung (z. B. 200) ein Oxidationsofen zur thermischen Stabilisierung der Endloskohlenstofffaser. Der Oxidationsofen kann eine Temperatur größer oder gleich ungefähr 200 °C bis kleiner als oder gleich etwa 300 °C aufweisen. In anderen Variationen ist die erwärmte Umgebung ein Karbonisierungsofen zur Karbonisierung der Endloskohlenstofffaser. Der Karbonisierungsofen kann eine Temperatur größer oder gleich ungefähr 1500 °C aufweisen. In noch anderen Variationen ist die erwärmte Umgebung ein Graphitisierungsofen zum Graphitisieren der Endloskohlenstofffaser. Der Graphitisierensofen weist eine Temperatur größer oder gleich ungefähr 1600 °C bis kleiner als oder gleich etwa 3000 °C auf.
Das Acrylpolymermaterial kann ein Copolymer aus einem Acrylnitrilmonomer und einem zweiten Monomer sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, Vinylamiden, Vinylhalogeniden, Salzen von Vinylverbindungen, Salzen von Sulfonsäuren und Kombinationen davon. Jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen reicht zum Bereitstellen einer Sollbruchstelle aus. In bestimmten Aspekten weist jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen eine Länge von größer oder gleich ungefähr 0,1 Zoll (0,254 cm) bis kleiner als oder gleich etwa 1,0 Zoll (2,54 cm) auf. In weiteren Aspekten ist jedes jeweilige diskrete Zielgebiet entfernt von einem benachbarten schwachen Bereich in der Endloskohlenstofffaser in einer Entfernung größer oder gleich ungefähr 0,1 Zoll (0,254 cm) bis kleiner als oder gleich ungefähr 12 Zoll (30,48 cm) beabstandet. Die Endloskohlenstofffaser kann durch eine Vielzahl von Endloskohlenstofffasern gebildet werden, die jeweils eine durchschnittliche Länge von größer oder gleich ungefähr 6 Zoll (15,24 cm) bis kleiner als oder gleich ungefähr 12 Zoll (30,48 cm) aufweisen.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit bereit. Das Verfahren beinhaltet das Einführen einer kontinuierlichen Vorläuferfaser umfassend ein Acrylpolymermaterial in einer erwärmten Umgebung, wie einen Ofen oder einen Brennofen. Das Verfahren beinhaltet weiterhin in bestimmten Variationen das Erzeugen einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen durch intermittierendes Anwenden mechanischer Belastung auf diskrete Zielbereiche der kontinuierlichen Vorläuferfaser während der des Aufenthalts in der erwärmten Umgebung. Das Aufbringen von mechanischer Beanspruchung bildet eine Endloskarbonfaser mit einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen. Es sollte erwähnt werden, dass nicht die Höhe der mechanischen Belastung auf die Vorläuferfaser in der erwärmten Umgebung vorzugsweise die Vorläuferfaser schneidet oder punktiert; vielmehr schafft sie lokalisierte Unterbrechungen oder Schwachstellen durch Strecken der Vorläuferfaser, während sie aufgeheizt wird. Die erwärmte Umgebung kann ausgewählt sein aus einem Oxidationsofen oder Ofen zur thermischen Stabilisierung der Endloskohlenstofffaser, ein Karbonisierungsofen oder Ofen zur Karbonisierung der Endloskohlenstofffaser und/oder ein Graphitisierungssofen oder Ofen zum Graphitisieren der Endloskohlenstofffaser. In bestimmten Aspekten kann das intermittierende Anwenden von mechanischer Beanspruchung durch Zusammenquetschen der kontinuierlichen Vorläuferfaser(n) während des Aufenthalts in der erwärmten Umgebung.
6 stellt ein exemplarisches System 250 zum intermittierenden Anwenden von mechanischer Belastung durch Verquetschen dar. Wie dargestellt, kann ein Paar von Walzenvorrichtungen 260 innerhalb des Ofens zum Verarbeiten einer Vielzahl von kontinuierlichen Vorläuferfasern 262, wie vorstehend bereits beschrieben, angeordnet sein. Das Paar Walzenvorrichtungen 260 beinhaltet eine erste Walze 264 und eine zweite Gegenwalze 266, die unter Spannung gegeneinander drücken. Die Vielzahl von kontinuierlichen Vorläuferfasern 262 läuft zwischen der ersten Walze 264 oberhalb der Vorläuferfasern 262 und der zweiten Gegenwalze 266 unterhalb der Vorläuferfasern 262 am Boden durch. Wie dargestellt, umfasst die erste Walze 262 eine strukturierte Mantelfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen 268 zum Erzeugen einer geschwungenen Oberfläche, während die zweite Gegenwalze 266 eine glatte zylindrische Form aufweist. Die erste Walze 264 weist somit die Fähigkeit auf, Druck anzuwenden und die Vorläuferfasern 262 in diskreten selektiven Zielbereichen 270 zusammenzudrücken. Wenn sich in dieser Weise das Paar von Walzenvorrichtungen 260 dreht, werden die Vorläuferfasern 262 selektiv durch angewendete intermittierende mechanischen Kraft zum Bilden der Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen in der Kohlenstofffaser, die eventuell gebildet wird, zusammengequetscht. Es sollte erwähnt werden, dass die geschwungene Oberfläche lediglich exemplarisch ist und dass weitere Muster oder vollständig glatte Flächen verwendet werden können. Die Höhe der aufgebrachten Kraft zwischen dem Paar der Walzenvorrichtungen 260 kann eingestellt werden, um unterschiedliche Höhen von Quetschungen und Verformungen der Vorläuferfasern 262 zu erreichen. Weiterhin können die Walzenvorrichtungen 260 unabhängig zum Verbessern der Verformung erwärmt werden, beispielsweise durch ein inneres Heizelement (nicht dargestellt). Es sollte erwähnt werden, dass in bestimmten Aspekten die Vorläuferfaser intakt und durchgehend auch nach intermittierendem Anwenden von mechanischer Belastung durch Verquetschen bleibt, wodurch örtliche Verformung und Beanspruchung erzeugt wird. Dies kann Schneiden oder Ausfransen der Kohlenstofffasern gegenübergestellt werden.
In einem weiteren Aspekt werden mechanische Beanspruchung, Laserabtragung oder mechanische Beanspruchung und Laserabtragung auf die Endlosfasern angewendet. In einem weiteren exemplarischen System 300, dargestellt in 7, kann intermittierendes Anwenden mechanischer Beanspruchung durch Leiten der Fasern über eine oder mehrere Walzen mit Oberflächenerhebungen erfolgen. Wie dargestellt, kann eine Walzenvorrichtung 302 nach der Bildung des Prepregs zum Bearbeiten einer Vielzahl von kontinuierlichen Vorläuferfasern 304 angeordnet sein, wie oben bereits beschrieben. Während die Walzenvorrichtung 302 in 7 bei der Verarbeitung der Vorläuferfasern 304 selbst dargestellt ist, kann sie (nicht dargestellt) mit einer Gegenwalze unter Spannung gegeneinander gepaart sein. Die Vielzahl von kontinuierlichen Vorläuferfasern 304 läuft somit unter der Walzenvorrichtung 302. Wie dargestellt, weist die Walzenvorrichtung 302 eine strukturierte Oberfläche mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen 310 auf, die sich von einer Fläche 312 aus erstrecken. In bestimmten Variationen sind die Vorsprünge 310 geformt, um mechanische Belastung auf die Vorläuferfasern 304 auszuüben und zu vermeiden, dass die Vorläuferfasern geschnitten werden, sondern dass sie intakt und durchgehend bleiben. In anderen Variationen sind die Vorsprünge 310 geformt zum Ausbilden von Schnitten in den Endlosfasern, während sie durchlaufen. Die Vorsprünge 310 können eine Breite aufweisen von weniger als ca. 0,1 mm bei einer Höhe, die ausreicht zum Schneiden der Kohlenstofffasern.
Die Walzenvorrichtung 302 weist die Fähigkeit auf, Druck auf die Vorläuferfasern 304 in diskreten selektiven Zielbereichen 314 auszuüben. In dieser Weise wird, sobald sich die Walzenvorrichtung 302 dreht, auf die Vorläuferfasern 304 intermittierende mechanische Kraft in diskreten Zielbereichen zur Bildung der Vielzahl von diskreten schwachen oder gebrochenen Bereichen in der Kohlenstofffaser ausgeübt. Es sollte erwähnt werden, dass die Form der Vorsprünge 310 lediglich exemplarisch ist und dass andere Formen verwendet werden können, soweit sie die Vorläuferfasern 304 in ein großes Bündel schneiden. Dies unterscheidet sich von konventionellen Verfahren, wo Noppen auf Walzen lediglich zum Spreizen und Verteilen der Kohlenstofffasern verwendet werden, jedoch nicht zum Einführen von schwachen oder gebrochenen Bereichen in die Endlosfasern. Weiterhin kann Laserabtragung auch auf die diskreten Zielbereiche der Kohlenstofffaser zusätzlich oder alternativ zu der mechanischen Belastung zum Erstellen der Vielzahl von diskreten schwachen oder gebrochenen Bereichen angewendet werden.
In noch anderen Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer Endloskohlenstofffaser zum Verwenden in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit. Das Verfahren kann Einführen einer kontinuierlichen Vorläuferfaser, umfassend ein Acrylpolymermaterial, in einen Oxidationsofen zum thermischen Stabilisieren der kontinuierlichen Vorläuferfaser umfassen. Die Vorläuferfaser kann dann in einen oder mehrere Karbonisierungsöfen zum Karbonisieren der Endloskohlenstofffaser eingeführt werden. Gegebenenfalls ist ein weiterer Schritt Einführen der Vorläuferfaser in eine Graphitisierungsofen. Nach dem endgültigen Erwärmungsschritt zum Veranlassen von Karbonisierung und/oder Graphitisierung wird die Kohlenstofffaser dann der Weiterverarbeitung unterworfen. Mechanische Beanspruchung kann beispielsweise zeitweise auf diskrete Zielbereiche der Endloskohlenstofffaser zum Erzeugen einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden intakten schwachen Bereichen in der Endloskohlenstofffaser angewendet werden. Diese Anwendung von Belastung veranlasst örtliche Verformung und Strecken, kann aber mit Schneiden oder Ausfransen der Kohlenstofffaserbündel verglichen werden, das in einem Schneidverfahren zum Erstellen zerkleinerter oder gemahlener Kohlenstofffasern abläuft. In anderen Variationen kann mechanische Beanspruchung zum Schneiden von Bereichen innerhalb der Kohlenstofffaserbündel angewendet werden. Eine Walze mit Vorsprüngen, wie Walze 300 in 7, kann verwendet werden, um den Druck auf die Endloskohlenstofffaser während eines derartigen Nachbehandlungsverfahrens anzuwenden. In bestimmten Variationen können die Vorsprünge die Kohlenstofffasern schneiden, während in anderen Variationen mechanische Beanspruchung ohne Schneiden der Kohlenstofffaserfilamente angewendet wird.
In verschiedenen Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung das Verfahren umfassend Einführen einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden Zielbereichen in einen Kohlenstofffaservorläufer und schließlich in die gebildete Kohlenstofffaser. Die Heterogenität kann durch örtliche molekulare oder strukturelle Defekte geschaffen werden. Diese Technik erhöht die Flexibilität und Verformbarkeit von Kohlenstofffasern und erlaubt das Formen der Endloskohlenstofffasern, den Konturen einer Oberfläche zu folgen. Dies verbessert die Oberflächengüte von unlackierten Verbundwerkstoffplatten durch Vermeiden von Faserdeformation um Wölbungen. In dieser Weise wird ein verbesserter Kohlenstofffaserverbundwerkstoffstoff bereitgestellt, der nur einen geringen oder gar keinen Verlust von mechanischen Eigenschaften aufweist, dessen Vorteile mit vernachlässigbar höheren Herstellungskosten erreicht werden können.
In bestimmten Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung ein Herstellungsverfahren oder Herstellung eines Bündels von Endloskohlenstofffasern zum Verwenden in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit. Das Verfahren umfasst Einarbeiten einer Vielzahl von diskreten Bereichen in eine Vielzahl von Vorläuferfasern, umfassend ein Acrylpolymermaterial, umfassend Polyacrylnitril. Die Vielzahl von kontinuierlichen Vorläuferfasern bildet das Bündel von Endloskohlenstofffasern. Das Einarbeitungsverfahren kann in einer erwärmten Umgebung, die die Vorläuferfaser durchläuft, durchgeführt werden, beispielsweise in einem thermischen Stabilisierung- oder Oxidationsofen oder Ofen, einem Karbonisierungsofen oder einem Graphitisierungsofen. Die Einarbeitung kann durch Anwenden von Laserenergie oder intermittierender mechanischer Belastung der Vorläuferfasern während des Aufenthaltes in der erwärmten Umgebung erfolgen. Nach Karbonisieren und Graphitisieren wird eine Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen in jeder Endloskohlenstofffaser des Bündels gebildet entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen, die in den Vorläuferfasern gebildet wurden.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung einen Kohlenstofffaserverbundwerkstoff mit verbesserter Verformbarkeit bereit. Der Kohlenstofffaserverbundwerkstoff beinhaltet eine Polymermatrix mit einem oder mehreren Endloskohlenstofffasern. In bestimmten Aspekten weisen die Endloskohlenstofffasern eine Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll (5,08 cm) auf. Die eine oder mehreren durchgehenden Kohlenstofffasern umfassen eine Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen. Die Vielzahl von schwachen Bereichen hat eine Festigkeit (z. B. eine maximale Zugfestigkeit), die mindestens 50 % geringer als die Festigkeit eines Rests des Körpers der Endloskohlenstofffaser ist. In bestimmten Aspekten kann, wie oben erörtert, der schwache Bereich eine Festigkeit aufweisen, die mindestens 60 % geringer als die vergleichbare Festigkeit eines Rests des Körpers der Endloskohlenstofffaser, gegebenenfalls mindestens etwa 80 % und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls mindestens etwa 90 % weniger als eine vergleichbare Festigkeit der Bereiche hoher Festigkeit des Rests des Körpers der Kohlenstofffaser ist.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung einen formbaren Kohlenstofffaserverbundwerkstoff-Prepreg bereit, der die Endloskohlefasern eingearbeitet enthält, wobei die Fasern einen oder mehrere schwache Bereiche enthält, und mit einer 50%igen Formabdeckung, die fließen und die den Formenhohlraum unter weniger als 7 MPa Kompression zum Herstellen einer 1,5 mm- Platte füllen kann.
In anderen Aspekten hat ein formbarer Kohlenstofffaserverbundwerkstoff, der die eingearbeiteten Endloskohlenstofffasern mit einem oder mehreren schwachen Bereichen enthält, die von der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt werden, noch eine ultrahohe Festigkeit, zum Beispiel, eine höchste Zugfestigkeit größer oder gleich ungefähr 500 MPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 1000 MPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 1500 MPa, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 1750 MPa und in bestimmten Aspekten gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 2000 MPa.
Die formbaren Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe sind besonders geeignet zum Verwenden in Komponenten eines Kraftfahrzeugs oder anderer Fahrzeuge (z. B. Motorräder, Boote), können aber auch in einer Vielzahl von anderen Industriezweigen und Anwendungen, einschließlich Luft- und Raumfahrtkomponenten, industriellen Anlagen und Maschinen, landwirtschaftlichen Maschinen, Schwermaschinen als nichteinschränkendes Beispiel. Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe können beispielsweise mit verbesserter Verformbarkeit nach der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um strukturelle Bauteile mit geschwungenen oder komplexen dreidimensionalen Formen zu bilden. Nichteinschränkende Beispiele beinhalten Hauben, Säulen, wie Scharniersäulen, Platten, einschließlich struktureller Paneele, Türkomponenten, Innenraumböden, Bodenwannen, Dächer, äußere Oberflächen, Unterbodenschilde, Räder, Speicherbereiche einschließlich Handschuhfächer, Konsolenfächer, Kofferraumböden, Lastwagenbetten, Lampenaufnahmen und andere Komponenten, Stoßdämpferkappen, Armlehnen und andere Dämpfungen, Stoßstangen, strukturelle Schienen und Rahmen, Querträger, Unterwagen- oder Antriebsstrangkomponenten und dergleichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit, das Verfahren umfassend: Einführen einer kontinuierlichen Vorläuferfaser umfassend einen Polymerwerkstoff in eine erwärmte Umgebung; und Richten von Laserenergie in Richtung einer Vielzahl von diskreten Zielbereichen der kontinuierlichen Vorläuferfaser während des Aufenthalts in der erwärmten Umgebung, um eine endloskontinuierliche Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erwärmte Umgebung eins der Folgenden ist: (i) ein Oxidationsofen oder Oxidationsbrennofen für die thermische Stabilisierung der Endloskohlenstofffaser, wobei der Oxidationsofen oder Oxidationsbrennofen eine Temperatur hat größer oder gleich 200 °C bis kleiner als oder gleich 300 °C; (ii) ein Karbonisierungsofen oder Karbonisierungsbrennofen zum Karbonisieren der Endloskohlenstofffaser, wobei der Karbonisierungsofen oder Karbonisierungsbrennofen eine Temperatur größer oder gleich 1500 °C hat; oder (iii) ein Graphitisierungsofen oder Graphitisierungsbrennofen zum Graphitisieren der Endloskohlenstofffaser, wobei der Graphitisierungsofen oder Graphitisierungsbrennofen eine Temperatur größer oder gleich 1600 °C bis kleiner als oder gleich 3000 °C.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Polymermaterial ein Acrylcopolymer ist, gebildet aus einem Acrylnitrilmonomer und einem zweiten Monomer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Acrylsäure, Itaconsäure, Methacrylsäure, Vinylestern, Vinylamiden, Vinylhalogeniden, Salzen von Vinylverbindungen, Salzen von Sulfonsäuren und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jeder jeweilige diskrete schwache Bereich der Vielzahl von diskreten schwachen Bereichen mindestens eins der Folgenden aufweist: (i) hat eine Länge von weniger als oder gleich 5,08 cm; (ii) ist entfernt beabstandet von einem benachbarten schwachen Bereich in der Endloskohlenstofffaser durch eine Entfernung größer oder gleich 0,254 cm bis kleiner als oder gleich 30,48 cm; oder (iii) hat eine durchschnittliche Länge von größer oder gleich 5,08 cm.
Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einführen einer Endlosvorläuferfaser, umfassend ein Acrylpolymermaterial, in eine erwärmte Umgebung; und Erzeugen einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen durch intermittierendes Anwenden mechanischer Belastung auf diskrete Zielbereiche der Endlosvorläuferfaser während des Aufenthalts in der erwärmten Umgebung, um eine Endloskohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen entsprechend der Vielzahl von diskreten Zielbereichen zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das intermittierende Aufbringen mechanischer Belastung durchgeführt wird durch entweder (i) Leiten der Fasern über eine Vielzahl von Walzen mit gestaffelten Vorsprüngen oder (ii) Zusammendrücken der kontinuierlichen Vorläuferfaser während des Aufenthalts in der erwärmten Umgebung, wobei die erwärmte Umgebung ausgewählt ist aus einem Oxidationsofen oder Oxidationsbrennofen zum thermischen Stabilisieren der Endloskohlenstofffaser, einem Karbonisierungsofen oder Karbonisierungsbrennofen zum Karbonisieren der Endloskohlenstofffaser oder einem Graphitisierungsofen oder Graphitisierungsbrennofen zum Graphitisieren der Endloskohlenstofffaser.
Verfahren zur Herstellung einer Endloskohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Verformbarkeit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einführen einer kontinuierlichen Vorläuferfaser, umfassend ein Acrylpolymermaterial in einen Oxidationsofen zur thermischen Stabilisierung der Vorläuferfaser; Einführen der Vorläuferfaser in einen Karbonisierungsofen zur Karbonisierung der Vorläuferfaser zum Formen einer Endloskohlenstofffaser; und intermittierendes Anwenden von mechanischer Beanspruchung, Laserabtragung oder mechanischer Beanspruchung auf und Laserabtragung an diskreten Zielbereichen der Endloskohlenstofffaser zum Erzeugen einer Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden intakten schwachen Bereichen in der Endloskohlenstofffaser, während sich die Vorläuferfaser in dem Oxidationsofen oder dem Karbonisierungsofen befindet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das zeitweise Anwenden mechanischer Belastung durchgeführt wird, indem die Endloskohlenstofffaser über eine Walze mit einer Oberfläche mit Vorsprüngen geleitet wird, wobei die Vorsprünge die Vielzahl von diskreten, nicht zusammenhängenden schwachen Bereichen in der Endloskohlenstofffaser erzeugen.