DE102016116662A1

DE102016116662A1 - Änderung von endlos-kohlenstofffasern während der bildung der vorstufe für verbundstoffe mit erhöhter formbarkeit

Info

Publication number: DE102016116662A1
Application number: DE102016116662.6A
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: 2016-09-06
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: US20170067185A1; US9896783B2; CN106521716B; CN106521716A; DE102016116662B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstofffasern zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit werden bereitgestellt. Bei der Bildung der Vorstufenfaser werden diskrete Bereiche in eine Endlos-Vorstufenfaser eingeführt, umfassend ein acrylisches Polymermaterial, wie Polyacrylnitril (PAN). Die Vorstufen können heterogene Fasern sein, die ein zweites, sich unterscheidendes Material haben, das diskrete Bereiche in dem Acrylpolymermaterial durchsetzt. Alternativ, kann die Vorstufe aus heterogenen Fasern bestehen, wobei in diskreten Bereichen Laser auf das Acrylpolymermaterial angewendet werden, um lokalisierte molekulare Störungen hervorzurufen. Nachdem die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitisieren erhitzt wurde, bildet die Vorstufe eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen. Diese verhältnismäßig schwachen Bereiche stellen nicht aneinander angrenzende Sollbruchstellen bereit, die die Steifigkeit reduzieren und die Formbarkeit von Polymerverbundwerkstoffen mit Kohlenstofffasern verbessern und dabei eine hohe Festigkeit beibehalten. Polymere Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern, die Endlos-Kohlenstofffasern enthalten, mit der Vielzahl von diskreten, nicht aneinander angrenzenden schwachen Bereichen, werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Behandeln und Herstellen von Endlos-Kohlenstofffaser-Vorstufen, die modifiziert werden, um Endlos-Kohlenstofffasern zu erzeugen, die die Formbarkeit der hochfesten Kohlenstofffaser-Verbundstoffe verbessern können.
HINTERGRUND
Kohlenstofffasern werden im Allgemeinen durch Carbonisieren oder Graphitisieren von Vorstufenmaterialfasern von Kohlenstofffasern hergestellt. Konventionelle Kohlenstofffaser-Vorstufen können beispielsweise aus Polyacrylnitril (PAN), Pech oder Kunstseide-Vorstufen gebildet werden. Kohlenstofffasern und Graphitfasern werden hergestellt und bei unterschiedlichen Temperaturen wärmebehandelt und haben damit jeweils einen unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt. 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 eine Länge von tausenden Mikrometern (µm) oder Millimetern (mm) haben können. Eine Gruppe von Endlos-Kohlenstofffasern wird häufig als ein Bündel von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten eingestuft. Ein Kohlenstofffaser „Roving“ wird üblicherweise als eine Anzahl von Filamenten in Tausenden gekennzeichnet (gekennzeichnet durch K hinter der entsprechenden K-Zahl). Alternativ können Kohlenstoff-Faserbündel zerkleinert oder gemahlen werden und bilden somit kurze Abschnitte von Kohlenstofffasern (Filamenten oder Bündeln), typischerweise mit einer mittleren Faserlänge zwischen 50 µm und 50 mm (ungefähr 1,97 Zoll). Während Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern alle leichtgewichtig und hochfest sind, haben Verbundwerkstoffe mit Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten gegenüber Verbundwerkstoffen mit zerkleinerten oder gemahlenen Kohlenstofffasern eine besonders hohe Festigkeit. Als nicht einschränkendes Beispiel hat ein repräsentatives, unidirektionales Endlos-Kohlenstofffaser-Filament bei Integration in einen Verbundwerkstoff eine extrem hohe Zugfestigkeit von etwa 1500 bis 2000 mPa, während Kohlenstofffaserschnipsel eine Zugfestigkeit von etwa 200 mPa bis 500 mPa haben.
Während die extrem hohen Festigkeiten bei bestimmten Anwendungen sehr wünschenswert sind, ist die fehlende Fließfähigkeit und Formbarkeit eine technische Herausforderung bei der Verwendung von Endlos-Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen, da Verbundwerkstoff-Prepregs mit Endlos-Kohlenstofffasern zu steif sein können, weil sie einen hohen Fließwiderstand haben. Diese Inflexibilität und Steifigkeit ergibt eine schlechte Formbarkeit, und erschwert das Formen dreidimensionaler Formen von Verbundwerkstoffen mit Endlos-Kohlenstofffasern. Es wäre wünschenswert Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe mit größerer Flexibilität, höherer Fließfähigkeit, und damit einer größeren Formbarkeit zu formen, die leicht komplexe und dreidimensional geformte Komponenten mit extrem hohen Festigkeiten formen können.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Das Verfahren kann die Integration einer Vielzahl von diskreten Bereichen in einer Endlos-Vorstufenfaser umfassen, die ein Acrylpolymermaterial umfasst. Nachdem die Endlos-Vorstufenfaser zum Carbonisieren und Graphitisieren erhitzt wurde, bildet die Endlos-Vorstufenfaser eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Endlos-Kohlenstofffaserbündels zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Das Verfahren umfasst die Integration einer Vielzahl von diskreten Bereichen in einer Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern, die ein Acrylpolymermaterial umfassen. Die Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern bildet das Bündel der Endlos-Kohlenstofffasern. Nach Carbonisieren und Graphitisieren der Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern, bildet sich in jeder Endlos-Kohlenstofffaser des Bündels entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen.
In noch anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung einen Kohlenstofffaserverbundstoff mit verbesserter Formbarkeit bereit. Der Kohlenstofffaserverbundstoff umfasst eine Polymermatrix mit einem oder mehreren Endlos-Kohlenstofffasern mit einer Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll. Die eine oder mehrere Endlos-Kohlenstofffasern umfassen eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen. In bestimmten Aspekten hat die Vielzahl von schwachen Bereichen eine Zugfestigkeit, die mindestens 50 % kleiner als die Zugfestigkeit des restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser ist.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
1 ist eine schematische Darstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser, hergestellt nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von diskreten, verhältnismäßig schwachen Bereichen, die innerhalb der Endlos-Kohlenstofffaser verteilt sind und als Sollbruchstellen dienen, wenn Kraft oder Belastung auf die Endlos-Kohlenstofffaser ausgeübt wird.
2 ist eine schematische Darstellung eines polymeren Verbundwerkstoffs mit einer Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden. Jedes jeweilige Kohlenstofffaser-Filament hat eine Vielzahl diskreter, nicht zusammenhängender, verhältnismäßig schwacher Bereiche oder Sollbruchstellen, die darin verteilt sind.
3 ist eine schematische Darstellung eines Bündels einer Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden. Jedes jeweilige Endlos-Kohlenstofffaser-Filament hat eine Vielzahl diskreter, nicht zusammenhängender, schwacher Bereiche, die darin verteilt sind. Die diskreten, schwachen Bereiche sind gestaffelt und versetzt gegenüber schwachen Bereichen in den benachbarten Kohlenstofffaser-Filamenten.
4 ist ein System zum gemeinsamen Verspinnen eines Acrylpolymermaterials mit einem zweiten, unterschiedlichen Polymermaterial, um eine Endlos-Kohlenstofffaser-Vorstufe zu formen, die eine Vielzahl von diskreten Bereichen entsprechend des zweiten, unterschiedlichen Polymermaterials, aufweist.
5 zeigt eine Draufsicht auf eine Spinndüsenscheibe zur Verwendung in dem System von 4.
6 zeigt eine Draufsicht auf eine interne Spinndüse zur Verwendung in dem System von 4, zum Einführen des zweiten, unterschiedlichen Materials in die Ströme des Acrylpolymermaterials.
7 zeigt ein System zum Anwenden einer Laserenergie an die Endlos-Kohlenstofffaser-Vorstufen, um eine Vielzahl von diskreten Bereichen mit lokalisierten molekularen Störungen zu bilden, die bei der Weiterverarbeitung zu einer Kohlenstofffaser nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung als schwache Bereiche oder Sollbruchstellen dienen.
Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details 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 Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können, und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung beschränkt. 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 und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin 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, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, 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 offen-ausgelegte Begriff „umfasst“, zu verstehen ist als ein nicht einschränkender Begriff, der zum Beschreiben und offenbaren verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ verstanden werden, um stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“, schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“, jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, ausgeschlossen sind von einer solchen Ausführungsform, aber jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganzen Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Jegliche hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge 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, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, 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. hierin verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, ein Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein weiter unten diskutierter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hierin zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
Während dieser Offenbarung repräsentieren die nummerischen Werte ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, um kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die in etwa den genannten Wert haben, sowie solche mit genau dem genannten Wert, zu umfassen. Im Gegensatz zu in der am Ende der detaillierten Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen, sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „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 und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschreiben.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Verbesserung der Formbarkeit von Verbundwerkstoffen mit Kohlenstofffasern als Verstärkungsphase bereit. Wie oben erwähnt, während polymere Verbundwerkstoffe mit Kohlenstofffasern hochfest und leichtgewichtig sind, lassen sie sich typischerweise schwierig zu komplexen, dreidimensional geformten Komponenten formen. Kohlenstoff-faserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe (CFRP) umfassen einen Harz, der ausgehärtet und/oder verfestigt wird, um eine Polymermatrix zu formen, in der eine Vielzahl von Kohlenstofffasern als Verstärkungsphase verteilt ist. CFRPs werden häufig aus einem Prepreg hergestellt, wobei die Kohlenstofffasern mit ungehärtetem oder teilweise gehärtetem Harz imprägniert werden. Eine Komponente oder Teil kann geformt werden, indem das Prepreg auf einen Dorn oder eine Form gelegt wird, wo es dann verdichtet und gehärtet wird, um die endgültige Komponente zu formen. In verschiedenen Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf die Verwendung von Endlos-Kohlenstofffasern, die in gewissen Aspekten eine Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll haben, gegenüber zerkleinerten oder gemahlenen Kohlenstofffasern. In bestimmten Aspekten hat eine Endlos-Kohlenstofffaser eine Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 3 Zoll, größer oder gleich ungefähr 4 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 5 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 6 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 7 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 8 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 9 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 10 Zoll, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 11 Zoll, und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 12 Zoll (oder 1 Fuß). Polymerverbundwerkstoffe mit Endlos-Kohlenstofffasern haben sehr hohe Festigkeiten und hohe Steifigkeit (mit einem hohen Elastizitätsmodul). Jedoch lassen sich aus diesen Polymerverbundwerkstoffen mit Endlos-Kohlenstofffasern ohne weitere Veränderungen nicht leicht konturierte oder komplexe dreidimensional Formteile herstellen.
Derzeit werden zwei Techniken verwendet, um komplexe Formteile aus Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen zu formen, wobei jedoch beide bestimmte Nachteile aufweisen. Die erste Technik integriert Endlos-Kohlenstofffasern in eine Verbundschicht mit unidirektionalen Endlos-Kohlenstofffasern, trennt dann aber die größere Verbundschicht in mehrere kleinere Stücke (entweder als Prepreg oder kurz vor der Anwendung zur Formgebung der Komponente) auf. Die kleineren Stücke werden dann zusammengebaut, so dass die Ränder benachbarter Stücke sich in einem manuellen Layup Prozess überlappen, um eine größere Struktur zu bilden. Die kleineren Stücke enthalten somit Hunderttausende von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten (z. B. geschnittene Bündel), die an der bzw. den gleichen Schnittlinie(n) enden. Während die kleineren Stücke aufeinander gelegt werden können, um komplexere Formen und Konturen zu bilden, hat diese Technik den Nachteil einer reduzierten Festigkeit des Teils, da die unidirektionalen Kohlenstofffaser-Filamente alle an der gleichen Schnittlinie enden. Wenngleich die abgeschnittenen Teile überlappen, verbleiben verschiedene Stellen oder Bereiche für eine Belastungsausbreitung und einen Bruch durch den Verbundwerkstoff entlang den Schnittlinien, der die Gesamtfestigkeit reduziert.
Alternativ können in einer anderen Technik die Kohlenstoff-Faserbündel in kürzere Segmente zerkleinert oder gemahlen werden, typischerweise mit einer maximalen Länge von weniger als ungefähr 2 Zoll. Jedes Bündel kann ungefähr 50.000 Filamente haben (z. B. 50K Roving), nur als Beispiel. Normalerweise sind die zerkleinerten Fasern in einer einzigen Ausrichtung homogen innerhalb des Verbundwerkstoffs als anisotrope Verstärkungsphase verteilt. Die kurzen Fasern sind jedoch diskontinuierlich verteilt, und stellen offene Bereiche zwischen einzelnen Fasern für Belastungs- und Rissausbreitung durch das Harz/ die Polymermatrix bereit. Während sie immer noch hohe Festigkeiten bieten, haben zerkleinerte Kohlenstoff-Faserverbundwerkstoffe typischerweise geringere Festigkeiten als Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe; häufig eine Größenordnung weniger.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden Verbundwerkstoffe, umfassend Endlos-Kohlenstofffasern, bereitgestellt, die hohe Festigkeitswerte bewahren, aber eine verbesserte Verformbarkeit und verminderte Steifigkeit als konventionelle Endlos-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe haben. In bestimmten Aspekten beinhaltet das Verfahren die Einführung lokalisierter molekularer struktureller Störungen in eine Kohlenstofffaser-Vorstufe auf Filamentebene, um absichtlich diskrete, schwache Bereiche zu erzeugen, die Sollbruchstellen ermöglichen. In anderen Aspekten kann ein bestimmtes Material entlang des Filaments in die Kohlenstofffaser-Vorstufe integriert werden, um diskrete, schwache Bereiche zu erzeugen, die leichter brechen. In beiden Variationen werden die schwachen Bereiche in diskreten und regelmäßigen Abständen entlang der Länge jeder Kohlenstofffaser geformt. Ein Bündel einer Vielzahl solcher Endlos-Kohlenstofffaser-Filamente mit den diskreten, schwachen Bereichen ist auch denkbar. Wie hierin abgehandelt, sind die diskreten, schwachen Bereiche bevorzugt versetzt zu benachbarten Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten angeordnet.
1 ist eine exemplarische Darstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser 20, die nach bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. In 1 weist die Endlos-Kohlenstofffaser 20 eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen 22 auf, die sich entlang einer Länge 24 der Kohlenstofffaser 20 gebildet haben. Somit beinhaltet die Kohlenstofffaser 20 einen hochfesten Körper 26 mit der Vielzahl von schwachen Bereichen 22, die innerhalb der hochfesten Bereiche des Körpers 26 verteilt sind. In bestimmten Aspekten soll ein schwacher Bereich 22 einen Bereich darstellen, der im Vergleich zu dem Rest des Körpers 26 bevorzugt reißt oder bricht, wenn Belastung angelegt wird. In bestimmten Aspekten kann ein schwacher Bereich so verstanden werden, dass er eine Festigkeit hat (z. B. eine Zugfestigkeit), die mindestens ungefähr 50 % kleiner ist als die Zugfestigkeit des vergleichbaren restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser, gegebenenfalls mindestens ungefähr 60 %, gegebenenfalls mindestens ungefähr 70%, gegebenenfalls mindestens ungefähr 80%, und in bestimmten Aspekten, gegebenenfalls mindestens ungefähr 90 % kleiner als die Vergleichs-Festigkeit der hochfesten Bereiche des Rests des Körpers der Kohlenstofffaser. In einem Beispiel ist die Endlosfaser eine Faser auf PAB-Basis und weist eine Zugfestigkeit von 5000 mPa auf, während der schwache Bereich eine Faser auf Ligninbasis ist und eine Zugfestigkeit von 100 mPa aufweist. Der schwache Bereich mit Lignin hatte eine um ungefähr 98 % geringere Festigkeit als der starke Bereich auf PAN-Basis. In der Vergangenheit war es bei der Formung der konventionellen Endlos-Kohlenstofffasern ein Ziel, das Einführen von Verunreinigungen oder Materialien zu vermeiden, die möglicherweise zu schwächeren Bereichen führen können, um sicherzustellen, dass die Kohlenstofffasern entlang der Länge der Kohlenstofffaser von gleichmäßig hoher Festigkeit sind. Jedoch, wie nachfolgend näher beschrieben, ermöglicht die Einführung dieser schwachen Domänen bzw. Bereiche, in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung, die Bildung von Kohlenstofffaser-Polymer-Verbundwerkstoffen mit hoher Festigkeit und einem niedrigen spezifischen Widerstand bezüglich des Fließens und sind daher besser verformbar und formbar.
In 2 wird ein Kohlenstofffaser-verstärkter Polymer-Verbundwerkstoff 50 bereitgestellt, der nach bestimmten Aspekte der vorliegenden Offenbarung, hergestellt wurde. Der Verbundwerkstoff 50 weist eine Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffasern 60 und eine Polymermatrix 61 auf, die zwischen und um die Kohlenstofffasern 60 verteilt sind. Die Endlos-Kohlenstofffasern 60 weisen eine Vielzahl von schwachen Bereichen 62 auf, die entlang jeder Endlos-Kohlenstofffaser 60 in regelmäßigen Abständen verteilt angeordnet sind. Die Vielzahl von schwachen Bereichen 62 ist entlang der Endlos-Kohlenstofffaser 60 über eine Breite 66 des Verbundwerkstoffes 50 versetzt angeordnet. Somit unterscheiden sich die Stellen der schwachen Bereiche 62 entlang einer Länge 68 jeder Endlos-Kohlenstofffaser 60 hinsichtlich denen von benachbarten Kohlenstofffasern 60. In dieser Weise können die Endlos-Kohlenstofffasern 60 an den schwachen Bereichen 62 brechen, wenn sie gebogen, gefaltet, oder anderweitig belastet werden, während sie die Weiterleitung von Belastung und einer Bruchausbreitung über die Breite 66 oder die Länge 68 des Verbundwerkstoffes 50 nicht erlauben. Dies bewahrt die Festigkeit des Verbundwerkstoffs 50 nahe des Festigkeitswerts, der von konventionellen Endlos-Kohlenstofffasern bereitgestellt wird, stellt aber auch eine geringere Steifigkeit und größere Flexibilität bereit (mit einem geringeren Widerstand bezüglich des Fließens).
In bestimmten Aspekten sind durch die vorliegende Offenbarung mehrere Endlos-Kohlenstofffasern (z. B. ein Bündel von Kohlenstofffaser-Filamenten) vorgesehen, wobei jede eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen aufweist. Eine erste Endlos-Kohlenstofffaser weist eine erste Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen und eine zweite Endlos-Kohlenstofffaser, benachbart zur ersten Endlos-Kohlenstofffaser, weist eine zweite Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen auf. Die erste Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen ist zu der zweiten Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen versetzt, wenn die erste Endlos-Kohlenstofffaser und die zweite Endlos-Kohlenstofffaser in Längsrichtung ausgerichtet sind.
3 verdeutlicht dieses Konzept weiter und zeigt einen detaillierten Abschnitt einer Teilansicht eines Bündels 80 mit einer Vielzahl von Endlos-Kohlenstofffaser-Filamenten oder Fasern 82. Jede Kohlenstofffaser beinhaltet eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen 84, die sich entlang eines Körpers 86 jeder Faser 82 gebildet haben. Eine erste Kohlenstofffaser 92 weist eine Vielzahl von ersten diskreten, schwachen Bereichen 94 auf, die einen Körper 96 durchsetzen, der eine vergleichsweise höhere Festigkeit aufweist. Jeder diskrete, schwache Bereich 94 ist in regelmäßigen Abständen (z. B. entlang des Körpers verteilt, wobei der Abstand zwischen den jeweiligen schwachen Bereichen 94 gleich ist). 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 einen Körper 106 entlang einer Länge in regelmäßigen Abständen durchsetzen. Eine dritte Kohlenstofffaser 112 ist der zweiten Kohlenstofffaser 102 benachbart. Die dritte Kohlenstofffaser 112 weist eine Vielzahl von dritten diskreten, schwachen Bereichen 114 auf, die einen Körper 116 entlang einer Länge in regelmäßigen Abständen durchsetzen. Wie zu sehen ist, ist die Vielzahl der ersten diskreten, schwachen Bereiche 94 zu den zweiten diskreten, schwachen Bereichen 104 in der benachbarten Kohlenstofffaser durch einen ersten Abstand 118 verschoben. Die Vielzahl der zweiten diskreten, schwachen Bereichen 104 ist ebenfalls zu den dritten diskreten, schwachen Bereichen 114 in der benachbarten dritten Kohlenstofffaser 112 durch einen zweiten Abstand 120 verschoben. In dieser Weise, sind die Vielzahl der ersten diskreten, schwachen Bereiche 94, die Vielzahl der zweiten diskreten, schwachen Bereiche 104 und die Vielzahl der dritten diskreten, schwachen Bereiche 114, sowohl bezüglich einer Breite 122 als auch einer Länge 124, des Bündels 80 gestaffelt und verschoben.
Daher gibt es absichtlich in die Kohlenstofffasern 82 der Bündeln eingeführte Sollbruchstellen, die schwachen Bereiche sind nicht aneinander angrenzend und sind über den hochfesten Körper 86 jeder Faser verteilt. Diese Ausgestaltung stellt eine höhere Fähigkeit zum Anpassen und der Formgebung dar, bei gleichzeitiger Minimierung der Riss- und Bruchausbreitung, damit die extrem hohen Festigkeiten der Endlos-Kohlenstofffasern bewahrt bleiben. Es sollte erwähnt werden, dass die Vielzahl von schwachen Bereichen in bestimmten Endlos-Kohlenstofffasern des Bündels in kürzeren oder längeren Abständen und mit unterschiedlichen Abständen voneinander angeordnet sein können. Des Weiteren kann bei alternativen Variationen der Abstand zwischen den schwachen Bereichen nicht einheitlich sein und kann in bestimmten Aspekten willkürlich verteilt sein. Insbesondere ist zu beachten, je länger der Abstand zwischen den schwachen Bereichen der Endlos-Kohlenstofffaser, desto höher die Steifigkeit und Festigkeit des Verbundwerkstoffs, der mit solchen Endlos-Kohlenstofffasern gebildet wird. Wo größere Formbarkeit und Flexibilität für den Verbundwerkstoff gefordert wird, kann der Abstand zwischen den schwachen Bereichen der Endlos-Kohlenstofffaser kürzer sein. Dies stellt eine größere Anzahl von Sollbruchstellen (höhere Bruchstellendichte) innerhalb der Endlos-Kohlenstofffasern bereit, die dem Verbundwerkstoff weniger Fließwiderstand, jedoch auch eine etwas verringerte Festigkeit verleihen.
In bestimmten Aspekten ist jeder jeweilige schwache Bereich von einem benachbarten schwachen Bereich in der Endlos-Kohlenstofffaser durch einen Abstand größer oder gleich ungefähr 0,1 Zoll bis kleiner als oder gleich ungefähr 12 Zoll abgetrennt. Bei bestimmten anderen Aspekten ist ein geeigneter Bereich größer oder gleich ungefähr 3 Zoll bis kleiner als oder gleich ungefähr 6 Zoll.
In bestimmten Aspekte stellt jeder jeweilige in der Endlos-Kohlenstofffaser gebildete schwache Bereich eine Schwachstelle dar, die brechen kann, daher ist eine Länge des schwachen Bereichs in der Faser von geringerer Bedeutung als die Länge zwischen den schwachen Bereichen. Jedoch kann in bestimmten Variationen ein schwacher Bereich eine Länge von weniger als oder gleich etwa 0,01 Zoll aufweisen. In bestimmten Aspekten hat jeder schwache Bereich eine Länge, die größer oder gleich ungefähr 0,10 Zoll bis kleiner als oder gleich ungefähr 1,0 Zoll ist.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Endlos-Kohlenstofffaserbündels zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Rein informationshalber sei darauf hingewiesen, dass ein typischer Prozess zur Bildung einer Kohlenstofffaser eine erste Bildung einer Kohlenstofffaser-Vorstufe beinhaltet. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Bildung eines Polymers, basierend auf einer Kohlenstofffaser-Vorstufe, die in ein Kohlenstofffaser-Filament überführt wird. Somit werden ein oder mehrere Monomere polymerisiert, um ein Polymermaterial zu bilden. In bestimmten Variationen kann das Polymermaterial ein Acrylpolymer-Material umfassen. In bestimmten Aspekten wird das Polymermaterial aus einem Acrylnitril-Monomer gebildet und kann somit ein Polyacrylnitril-(PAN)-Polymer ein. Bei der konventionellen Bildung einer Kohlenstofffaser-Vorstufe können ein oder mehrere Comonomere mit dem Acrylnitril-Monomer polymerisiert werden kann. Das Acrylpolymer-Material kann ein Copolymer sein, das aus einem Acrylnitril-Monomer und einem zweiten Monomer gebildet wird, 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 Natrium-Vinylsulfonat, Natrium-p-styrolsulfonat, und dergleichen, und Kombinationen davon. Die am häufigsten verwendeten Comonomere beinhalten Itaconsäure, Methacrylsäure, Acrylsäure, und/oder mit Acrylnitril polymerisiertes Acrylamid.
Nach der Polymerisation kann das Acrylpolymer-Material mit einem oder mehreren Trägern oder Lösungsmitteln kombiniert und dann versponnen werden, beispielsweise, durch Spinnverfahren in der Schmelze oder in Lösungsmittel, um eine Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern oder -Filamenten zu bilden. Das Spinnverfahren für acrylische Polymer-Vorstufen auf PAN-Basis kann unter Verwendung herkömmlicher, gut bekannter Fertigungstechniken durchgeführt werden. Das Spinnverfahren kann die Bildung der Vorstufenfasern in einem Spinnbad durch Ausstoßen von Polymermaterial aus einer Düse oder einer Spinndüse beinhalten. Die Vorstufenfasern können dann in ein zweites Waschbad überführt werden, um das Lösungsmittel aus den Fasern auszuwaschen, und anschließend können die Vorstufenfasern durch ein Streckbad gezogen werden. Die Fasern können in einem solchen Streckbad gestreckt werden. Die Vorstufenfasern können dann getrocknet werden. Die Kohlenstofffaser-Vorstufe kann gestreckt werden, um eine molekulare Ausrichtung zu ermöglichen. Die Kohlenstofffaser-Vorstufe kann dann auf ein Spulengatter aufgewickelt werden, für den Transport zu einer Fertigungsanlage zur Herstellung von Kohlenstofffasern aus den Vorstufenfasern.
Vor der Wärmebehandlung zu Beginn des Prozesses der Bildung der Kohlenstofffaser, kann die Vorstufe flach ausgebreitet werden, um ein Rovingband für eine Kettfadenschicht zu bilden. Die Vorstufenfaser kann einem einleitenden thermischen Stabilisierungsprozess unterzogen werden (z. B. Oxidation), um qualitativ hochwertige Kohlenstofffasern zu erhalten. Solch ein einleitender thermischer Stabilisierungsschritt wird typischerweise durch Erhitzen der Vorstufenfaser bei einer geregelten, verhältnismäßig niedrigen Temperatur durchgeführt, beispielsweise bei 200–300 °C in Luft, damit sie in eine Form umgewandelt wird, die weiter wärmebehandelt werden kann, ohne dass die Fasern schmelzen oder verschmelzen. Die lineare PAN-basierte Polymervorstufe wird typischerweise während dieses einleitenden thermischen Stabilisierungsschritts mindestens teilweise in zyklische Strukturen überführt.
Somit kann die gestreckte Kohlenstofffaser-Vorstufe dann durch einen Oxidationsofen geleitet werden, währenddessen der Sauerstoff aus der Luft sich mit der Kohlenstofffaser-Vorstufe unter Bildung vernetzter Polymerketten verbindet. Die Temperatur und der Luftstrom im Oxidationsofen sind modifiziert, um die Zusammensetzung der Kohlenstofffaser-Vorstufe zu ergänzen.
Anschließend können die thermisch stabilisierten Fasern einem oder mehreren Erhitzungsschritten unterzogen werden, bei denen die Carbonisierung und Graphitisierung stattfindet. Diese Stufen werden typischerweise in einem Ofen oder einem Ofen mit einer inerten Atmosphäre durchgeführt. Während die Temperaturen variieren können, wird die Carbonisierung typischerweise bei Temperaturen von mindestens 1500 °C–1600 °C durchgeführt. Für die Graphitisierung kann ein zusätzlicher Wärmebehandlungsschritt durchgeführt werden. Graphitisierung tritt typischerweise durch Erhitzen der Vorstufenfaser auf eine Temperatur im Bereich größer oder bis etwa 1600 °C–3000 °C auf. Graphitisierung verleiht der gebildeten Kohlenstofffaser ein hohes Elastizitätsmodul. Somit kann ein zweistufiger Erwärmungsprozess durchgeführt werden, um die Kohlenstofffaser zu bilden, zuerst ein Carbonisierungsprozess bei verhältnismäßig niedriger Temperatur und anschließend ein Hochtemperatur-Graphitisierungsprozess, je nach den endgültigen erforderlichen Eigenschaften der Kohlenstofffaser.
Daher kann nach dem Durchlaufen des Oxidationsofens zur thermischen Stabilisierung die Kohlenstofffaser-Vorstufe durch einen oder mehrere Carbonisierungsöfen geleitet werden. Die Streckung wird fortgesetzt, wenn die Kohlenstofffaser-Vorstufe durch den Carbonisierungsofen durchgeleitet wird. Innerhalb jedes Carbonisierungsofens befindet sich eine inerte (z. B. sauerstofffreie) Atmosphäre. Die Temperatur des Carbonisierungsofens steigt fortlaufend an, wodurch nicht-Kohlenstoff-Moleküle in Abwesenheit von Sauerstoff in Partikel übergehen. Die Partikel werden dann aus dem Ofen ausgestoßen. Die Anzahl der Carbonisierungsöfen durch die die Kohlenstofffaser-Vorstufe hindurchgeführt wird, kann von der Qualität der herzustellenden Kohlenstofffaser abhängig sein. Die Kohlenstofffaser kann dann in einen optionalen Graphitisierungsofen eintreten, zur zusätzlichen Wärmebehandlung. Nachdem die Kohlenstofffaser erwärmt worden ist, kann die Oberfläche erwärmt werden, geschlichtet werden, und für eine spätere Verarbeitung und Verwendung aufgespult werden (z. B. Integration in Prepreg oder Verbundwerkstoff-Materialien).
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von Endlos-Kohlenstofffasern zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Das Verfahren umfasst die Integration einer Vielzahl von diskreten Bereichen in einer Endlos-Vorstufenfaser, die ein Acrylpolymermaterial umfasst. Die diskreten Bereiche sind vorbestimmte Bereiche oder Domänen, aus denen sich schließlich die schwachen Bereiche innerhalb der Kohlenstofffaser bilden. Somit wird die Endlos-Vorstufenfaser zu einer Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen, verarbeitet, nachdem sie zur Carbonisierung und Graphitisierung erhitzt wurde.
In bestimmten Aspekten umfasst die Integration der Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen ferner das Ausbilden eines Stroms aus einem Acrylpolymer-Material und das zeitweise Einführen eines zweiten, unterschiedlichen polymeren Materials in den Strom, um eine heterogene Vorstufenfaser zu bilden. Die Vielzahl von diskreten Bereichen entspricht und bildet die Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, nachdem die heterogene Vorstufenfaser erwärmt wurde (z. B. über thermische Stabilisierung, Carbonisierung, und/oder Graphitisierung), um die Kohlenstofffaser zu bilden.
Die Integration der Vielzahl von diskreten Bereichen beim Bilden der Vorstufenfaser kann durch gemeinsames Verspinnen eines Acrylpolymer-Materials (wie oben beschrieben, ein konventionelles Acrylpolymer-Material, das jedes der oben beschriebenen Copolymere beinhalten kann) und eines zweiten, unterschiedlichen polymeren Materials erreicht werden. Ein Strom des primären Acrylpolymers kann somit zeitweise unterbrochen werden durch Einspritzen des zweiten, unterschiedlichen Polymermaterials in den Strom, um die Vielzahl von diskreten Bereichen innerhalb der Vorstufenfaser zu bilden.
In bestimmten Variationen kann eine Spinnvorrichtung 130 verwendet werden, um einen solchen Prozess durchzuführen, wie in den 4–6 gezeigt. Eine Spinndüsenscheibe 132 in 5 hat eine Vielzahl von Öffnungen 134, gebildet zum Ausstoßen des Haupt-Acrylpolymer-Materials 136. Insbesondere ist zu beachten, dass viele weitere Öffnungen 134 auf der Spinndüsenscheibe 132 erzeugt werden können, aber zu Ansichtszwecken ist eine vereinfachte Version dargestellt. In 6 weist eine interne Verteiler-Spinndüse 140 eine Vielzahl von Öffnungen 142 auf. Die interne Verteiler-Spinndüse 140 wird verwendet, um das zweite unterschiedliche Material 144 zu verteilen. Somit kann die Vielzahl von Öffnungen 142 in der internen Verteiler-Spinndüse 140 mit der Zahl und Anordnung der Öffnungen 134 über einen Durchmesser der Spinndüsenscheibe 132 zusammenpassen.
Wie am besten in 4 dargestellt, wird das Haupt-Acrylpolymer-Material 136 unter Druck (z. B. über Pumpen) über eine erste Passage 150 in eine Hauptkammer 152 eingeleitet. Die Hauptkammer 152 endet an der Spinndüsenscheibe 132. Das zweite unterschiedliche Material 144 wird über eine zweite Passage 154 in die Hauptkammer 152 eingeleitet, die an der internen Verteiler-Spinndüse 140 endet. Die zweite Passage 154 und die interne Verteiler-Spinndüse 140 können sich innerhalb der Hauptkammer 152 drehen. Beim Drehen gibt die interne Verteiler-Spinndüse 140 selektiv das zweite unterschiedliche Material 144 über bestimmte, ausgewählte Öffnungen 134 der Spinndüsenscheibe 132 ab. In dieser Weise wird das zweite unterschiedliche Material 144 zeitweise in einer Vielzahl von Strömen 160 eingeführt, um durch gemeinsames Verspinnen die Faser-Vorstufen zu bilden. Somit können die Ströme 160 kontinuierlich gebildet werden, wobei die diskreten Bereiche durch das zweite unterschiedliche Material 144 definiert sind, das in unterschiedlichen Bereichen und Strömen 160 gebildet wird, wenn die interne Verteiler-Spinndüse 140 innerhalb der Spinndüsenscheibe 132 rotiert.
Das zweite unterschiedliche Polymermaterial unterscheidet sich von dem Acrylpolymer-Material. Es kann als ein Material gewählt werden, das nach der Verarbeitung und Wärmebehandlung zur Bildung der Kohlenstofffaser eine geringere Festigkeit als das Acrylpolymer-Material aufweist. In bestimmten Variationen wird das zweite unterschiedliche Polymermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Lignin, Polyethylen, Polystyrol, Polymeren mit Füllstoffen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als etwa 1 µm („Submikron“ großen Teilchen) und Kombinationen davon. Insbesondere ist zu beachten, dass die Einführung der Submikron großen Teilchen gegenüber dem Acrylpolymer-Material eine Schwächung in das Polymer einführen kann. In bestimmten Variationen umfasst das zweite unterschiedliche Material Lignin. Die Domänen des zweiten unterschiedlichen Polymermaterials bilden somit die diskreten Bereichen innerhalb der Vorstufenfaser, die schließlich verarbeitet werden, um die diskreten, schwachen Bereiche innerhalb der Kohlenstofffaser zu bilden.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Das Verfahren umfasst die Integration einer Vielzahl von diskreten Bereichen in einer Endlos-Vorstufenfaser, die ein Acrylpolymermaterial umfasst. Die Integration der Vielzahl von diskreten Bereichen in die Endlos-Vorstufenfaser umfasst das Spinnen des Acrylpolymer-Materials in einem Lösungsmittel, und Anwenden von Laserenergie auf das Acrylpolymer-Material auf die Vielzahl von diskreten Bereichen, um das Lösungsmittel vorzeitig zu verdampfen. Andere Energiequellen ähnlich zur Laserenergie können bei alternativen Variationen ebenfalls eingesetzt werden. Vorzeitig bezieht sich auf den Beginn des Lösungsmittels-Verlustes in der Vielzahl von diskreten, nicht aneinander angrenzenden Zielbereichen auf die die Laserenergie ausgerichtet ist, im Vergleich zur Einleitung des Lösungsmittel-Verlustes in den Bereichen, wo keine Laserenergie angewendet wird. In einem nicht beschränkenden Beispiel, kann die Anwendung der direkten Laserenergie innerhalb der Vielzahl an diskreten, nicht aneinander angrenzenden Zielbereichen zu einer beschleunigten Rate eines Lösungsmittel-Verlusts führen, größer oder gleich ungefähr 20 %, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 30 %, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 40 %, und in bestimmten Variationen, gegebenenfalls größer oder gleich ungefähr 50 % gegenüber einer Rate von Lösungsmittel-Verlust in Bereichen, in denen keine Laserenergie angewendet wurde.
Somit beinhaltet das Verfahren das Ausrichten von Laserenergie auf eine Vielzahl von diskreten, nicht aneinander angrenzenden Zielbereichen. Auf Filamentebene der Kohlenstofffaser-Vorstufe bilden sich heterogene Bereiche infolge der diskreten, nicht zueinander benachbarten molekularen strukturellen Störungen. Die Vielzahl von diskreten Bereichen besitzt eine andere molekulare Organisation als der Rest der Endlos-Vorstufenfaser, da die Laserenergie die vorzeitige Verflüchtigung des Lösungsmittels initiiert. Anwendung von Laserenergie und damit lokalisierte Hitze beendet den molekularen Organisationsprozess (z. B. Kristallisation) und ergibt lokalisierte, molekulare strukturelle Störungen, die schwächere Bereiche bilden, als in den Bereichen, die in einer langsameren Weise trocknen können, in denen konventionelle Lösungsmittel-Abtragungsraten eine vollständige molekulare Organisation und Ausrichtung ermöglichen.
Ein derartiger Prozess kann in einem in 7 gezeigten Bad 200 auftreten. Ein polymeres Einsatzmaterial, beispielsweise Polyacrylnitril (PAN), kann über Kontakt mit einer Flüssigkeit, die ein Lösungsmittel umfasst, verarbeitet werden. In dem Maß, wie das polymere Einsatzmaterial das Lösungsmittel verliert, wird das polymere Einsatzmaterial gestreckt. Somit beeinflusst die Steuerung einer Rate, mit der das Lösungsmittel von der Vorstufe entfernt wird, die Eigenschaften und schließlich die Kohlenstofffaser. Ein Behälter 202 enthält eine Flüssigkeit 204, wie Wasser. Eine Spinndüsenscheibe 208 befindet sich innerhalb des Behälters 202. Ein Acryl-Polymermaterial wird aus den Düsen oder Öffnungen 210 in der Spinndüsenscheibe 208 in die Flüssigkeit 204 ausgestoßen. Eine Vielzahl von Strömen 220 wird erzeugt, wenn das Acrylpolymer-Material aus der Spinndüsenscheibe 208 austritt und in die Flüssigkeit 204 gelangt. Auf diskrete Auftreffpunkte oder Bereiche 222 der Ströme 220 kann Laserenergie angewendet werden. Die Laserenergie kann durch konventionelle Laserquellen angewendet werden und von oberhalb oder unterhalb des Bads 200 her ausgerichtet werden. Wie in 7 zu sehen ist, sind diskrete Bereiche 222 versetzt und in Längs- und Querrichtung über den Spinndüsen-Durchmesser voneinander getrennt. Die Laserenergie kann periodisch angewendet werden, um diskrete, nicht zueinander benachbarte, voneinander getrennte Bereiche innerhalb jedes Strahls 220 zu erzeugen, entsprechend der diskreten Bereiche 222, die dann weiterverarbeitet und getrocknet werden, um schwache Bereiche in der Endlos-Vorstufenfaser zu bilden. Es wird von Fachleuten einzusehen sein, dass die Bereiche der Ströme, auf die die Laserenergie angewendet wird, in ihrer Konfiguration, ihrem Abstand und ihrer Platzierung auf den Strömen variieren können.
In verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung wird das Verfahren betrachtet, umfassend das Einführen einer Vielzahl von diskreten, nicht zueinander benachbarten Zielbereichen in einer Kohlenstofffaser-Vorstufe und schließlich in die gebildete Kohlenstofffaser. Die Heterogenität kann durch lokale molekulare Störungen oder durch Einführung eines unterschiedlichen Materials in die Vorstufenfaser erzeugt werden. Diese Technik verbessert die Formbarkeit der Kohlenstofffasern und ermöglicht das Formen der Kohlenstofffasern, um sich den Konturen einer Oberfläche anzupassen. Dies verbessert die Oberflächengüte unlackierter Verbundplatten, indem eine Faserverformung um die Wölbungen vermieden wird. In dieser Weise wird ein verbesserter Kohlenstofffaserverbundstoff bereitgestellt, der einen geringen oder keinen Verlust der mechanischen Eigenschaften aufweist, wobei die Vorteile mit vernachlässigbaren zusätzlichen Herstellungskosten erreicht werden können.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Produktion oder Herstellung von Endlos-Kohlenstofffaserbündel zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit dar. Das Verfahren umfasst die Integration einer Vielzahl von diskreten Bereichen in einer Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern, umfassend ein acrylisches Polymermaterial, das Polyacrylnitril umfasst. Die Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern bildet das Bündel der Endlos-Kohlenstofffasern. Die Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern wird zur thermischen Stabilisierung und dann für das Carbonisieren und Graphitisieren gegebenenfalls erwärmt. Nach Carbonisieren und Graphitisieren hat sich eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen in jeder Endlos-Kohlenstofffaser des Bündels gebildet, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen, die in den Vorstufenfasern gebildet wurden.
In anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung einen Kohlenstofffaserverbundstoff mit verbesserter Formbarkeit bereit. Der Kohlenstofffaserverbundstoff beinhaltet eine Polymermatrix mit einer oder mehreren Endlos-Kohlenstofffasern. In bestimmten Aspekten haben die Endlos-Kohlenstofffasern eine Länge von größer als oder gleich ungefähr 2 Zoll. Die eine oder mehrere Endlos-Kohlenstofffasern umfassen eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen. Die Vielzahl von schwachen Bereichen weist eine Festigkeit (z. B. eine Zugfestigkeit) auf, die mindestens 50 % geringer ist als die Festigkeit des vergleichbaren restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser. In bestimmten Aspekten, wie oben erörtert, kann der schwache Bereich eine Festigkeit aufweisen, die mindestens ungefähr 60 % kleiner ist als die Zugfestigkeit des vergleichbaren restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser, gegebenenfalls mindestens ungefähr 80 %, gegebenenfalls mindestens ungefähr 90 % und in bestimmten Aspekten, gegebenenfalls mindestens ungefähr 95 % kleiner als die Vergleichs-Festigkeit der hochfesten Bereiche des restlichen Teils des Körper der Kohlenstofffaser.
In bestimmten Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung einen formbaren Prepreg aus einem Kohlenstofffaserverbundwerkstoff bereit, der die Endlos-Kohlenstofffasern beinhaltet, die einen oder mehrere schwache Bereiche haben, und mit einer 50 %igen Formfüllung, der beim Formpressen mit weniger als 7 mPa fließen und den Formhohlraum füllen kann, um eine 1,5 mm dicke Platte zu erzeugen.
In anderen Aspekten hat ein formbarer Kohlenstofffaserverbundstoff, der Endlos-Kohlenstofffasern mit einem oder mehreren schwachen Bereichen enthält, die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellt werden, noch eine extrem hohe Festigkeit, zum Beispiel, eine 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 insbesondere geeignet zur Verwendung in Komponenten eines Kraftfahrzeugs oder in anderen Fahrzeugen (z. B. Motorrädern, Booten), können aber auch in einer Vielzahl von anderen Industriezweigen und Anwendungen, einschließlich Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, industriellen Anlagen und Maschinen, Landwirtschaftsausrüstung, schweren Maschinen, als nicht-einschränkendes Beispiel, verwendet werden. Beispielsweise können die Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe mit verbesserter Verformbarkeit gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um Automobil-Bauteile mit konturierten oder komplexen dreidimensionalen Formen herzustellen. Nicht einschränkende Beispiele beinhalten Hauben, Säulen, wie Scharniersäulen, Platten, einschließlich Strukturplatten, Türverkleidungen, und Türkomponenten, Innenraum-Böden, Bodenwannen, Dächer, äußere Oberflächen, Unterbodenschutz, Räder, Speicherbereiche, einschließlich Handschuhkästen, Konsolen, Kofferräume, Kofferraumböden, Ladeflächen, Leuchten-Taschen und andere Komponenten, Deckel, und sonstige Federungen, Knautschdosen, Stoßstangen, Strukturelle Schienen und Rahmen, Querträger, Unterwagen oder Antriebsstrangkomponenten, und dergleichen.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Solche Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Endlos-Kohlenstofffaser zur Verwendung in Verbundwerkstoffen mit verbesserter Formbarkeit, das Verfahren umfassend: Integration einer Vielzahl von diskreten Bereichen in eine Endlos-Vorstufenfaser, umfassend ein Polymermaterial, worin die Endlos-Vorstufenfaser nach dem Erhitzen zum Carbonisieren und Graphitisieren die Endlos-Vorstufenfaser eine Endlos-Kohlenstofffaser mit einer Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, entsprechend der Vielzahl von diskreten Bereichen bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Polymermaterial ein acrylisches Polymermaterial ist und die Integration der Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen ferner die Bildung eines Stroms von einem acrylischen Polymermaterial und zeitweises Einführen eines zweiten unterschiedlichen Polymermaterials in den Strom umfasst, zur Bildung einer heterogenen Vorstufenfaser, worin die Vielzahl von diskreten Bereichen die Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen bildet, nachdem die heterogene Vorstufenfaser erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Integration der Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen das gemeinsame Verspinnen des acrylischen Polymermaterials und des zweiten unterschiedlichen Polymermaterials in einem System mit einer Spinndüsenscheibe und einer internen Verteiler-Spinndüse umfasst, worin das zweite unterschiedliche Polymermaterial zeitweise in den Strom des acrylischen Polymers eingeführt wird, der aus der Spinndüsenscheibe durch Drehen der internen Verteiler-Spinndüse während des gemeinsamen Verspinnens, austritt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das zweite unterschiedliche Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Lignin, Polyethylen, Polystyrol, Polymeren mit Submikron-Füllstoffpartikeln und Kombinationen davon, und das Polymermaterial ein acrylisches Copolymer ist, das aus einem Acrylnitril-Monomer und einem zweiten Monomer gebildet wurde, 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, worin die Integration der Vielzahl von diskreten Bereichen in die Endlos-Vorstufenfaser ferner beinhaltet: Spinnen eines Einsatzmaterials umfassend das Polymermaterial und ein Lösungsmittel; und Anwendung von Laserenergie auf die Vielzahl der diskreten Bereiche von Strömen des Einsatzmaterials, um die Verflüchtigung des Lösungsmittels zu beschleunigen, worin die Vielzahl von diskreten Bereichen eine unterschiedliche molekulare Organisation als der Rest der Endlos-Vorstufenfaser besitzt, die sich nach dem Entfernen des Lösungsmittels bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von schwachen Bereichen eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 50 % kleiner ist als die Zugfestigkeit des restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser.
Verfahren nach Anspruch 1, worin für jeden jeweiligen diskreten, schwachen Bereich der Vielzahl von schwachen Bereichen mindestens einer der folgenden Punkte gilt: (i) hat eine Länge von weniger als oder gleich ungefähr 2 Zoll; (ii) ist von einem benachbarten schwachen Bereich in der Endlos-Kohlenstofffaser getrennt durch einen Abstand größer oder gleich ungefähr 0,1 Zoll bis kleiner als oder gleich ungefähr 12 Zoll; oder (iii) hat eine durchschnittliche Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die kontinuierliche Zwischenfaser eine Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern umfasst, mit einer ersten Endlos-Vorstufenfaser mit einer ersten Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen und einer benachbarten zweiten Endlos-Kohlenstofffaser mit einer zweiten Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, worin die erste Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen versetzt ist zu der zweiten Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen, wenn die erste Endlos-Kohlenstofffaser und die zweite Endlos-Kohlenstofffaser in Längsrichtung ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend mindestens eine der folgenden Maßnahmen: (i) Erhitzen der Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern auf eine Temperatur größer oder gleich ungefähr 1500 °C für Carbonisierung und/oder eine Graphitisierung; oder (ii) Erhitzen der Vielzahl von Endlos-Vorstufenfasern auf eine Temperatur größer oder gleich ungefähr 200 °C bis kleiner als oder gleich ungefähr 300 °C zur thermischen Stabilisierung vor dem Erhitzen für die Carbonisierung und/oder Graphitisierung.
Kohlenstofffaserverbundstoff mit verbesserter Verformbarkeit, gebildet durch das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: eine Polymermatrix mit einer oder mehreren Endlos-Kohlenstofffasern mit einer Länge von größer oder gleich ungefähr 2 Zoll, worin die eine oder mehrere Endlos-Kohlenstofffasern eine Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen umfasst, worin die Vielzahl von diskreten, schwachen Bereichen eine Zugfestigkeit aufweist, die mindestens 50 % geringer ist als die Festigkeit des restlichen Teils der Endlos-Kohlenstofffaser, und der Kohlenstofffaserverbundstoff eine Zugfestigkeit größer oder gleich ungefähr 1500 mPa aufweist.