DE102017213615A1

DE102017213615A1 - Verfahren zur Defektgrößenreduktion und Verbesserung mechanischer Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen durch die Einlagerung feiner beschichtbarer Thermoplaststrukturen

Info

Publication number: DE102017213615A1
Application number: DE102017213615.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Konschak; Jens Schmidt; Michael Rabenstein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2017-08-04
Publication date: 2019-02-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen durch die Einlagerung feiner, beschichtbarer Thermoplaststrukturen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf ein Faserverbundmaterial, das zur Herstellung von Strukturkörpern mit komplexen Hohlraumstrukturen in Turbinen, Brennkammern, Wärmetauschern, Bremsscheiben und Spiegelgehäusen von Satelliten verwendet werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen durch die Einlagerung feiner, beschichtbarer Thermoplaststrukturen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf ein Faserverbundmaterial, das zur Herstellung von Strukturkörpern mit komplexen Hohlraumstrukturen in Turbinen, Brennkammern, Wärmetauschern, Bremsscheiben und Spiegelgehäusen von Satelliten verwendet werden kann.
Unter den Begriff der Faserverbundwerkstoffe fallen keramische Faserverbundwerkstoffe (CMC), Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Diese stellen für viele Anwendungen beliebte Werkstoffe dar, weil sie im Vergleich zu den reinen Kunststoffen bzw. monolithischen Keramiken verbesserte mechanische Eigenschaften besitzen.
Die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit hohem Faservolumengehalt von 50-60% erfolgt dabei häufig nach dem sogenannten Prepregverfahren. Dabei wird zunächst ein Vorkörper bzw. eine Preform hergestellt, indem Gewebe, Gelege, Vliese oder Matten der Fasern mit einem Matrixmaterial getränkt und aufeinander geschichtet werden. Im Anschluss wird der Rohling einem Warmpress- oder Autoklavierverfahren und zuletzt einer Hochtemperaturprozessierung unterworfen. Durch die Temperaturbehandlung kommt es zu einer Verfestigung bzw. Aushärtung des Matrixmaterials auf Basis von Vernetzungsreaktionen oder Zersetzungsreaktionen während der Pyrolyse. Schon zu Beginn der Aushärtung werden dabei gasförmige Produkte aus der Matrix abgespalten. Diese müssen abgeführt werden, um die Ausbildung von Rissen und Porenansammlungen sowie daraus resultierende Delaminationen in dem Faserverbundwerkstoff zu vermeiden.
Bei Faserverbundwerkstoffen mit einem hohen Faseranteil, bevorzugt mit einem Faseranteil von mehr als 50Vol.-%, ist der Lagenaufbau zu dicht, so dass die Abfuhr der gasförmigen Produkte, wie Wasserdampf, Ammoniak, etc. behindert ist und nicht mehr gewährleistet werden kann. Es entstehen dadurch lokale Bereiche meist um die Kernlagen mit erhöhtem Gasdruck, welche zur Ausbildung von Materialdefekten führen. Besonders häufig entstehen Risse und Poren, die sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften und die Weiterverarbeitung des Faserverbundwerkstoffes auswirken. Die durch den Gasdruck verursachten Kräfte im Inneren des Faserverbundwerkstoffes können aber auch so groß werden, dass sie eine Ablösung und Trennung einzelner Schichten im Verbund, die sogenannte Delamination, zur Folge haben. Die Delamination wird dabei durch bereits vorhandene Risse und Inhomogenitäten im Material gefördert. Kommt es zur Delamination, sind die Faserverbundwerkstoffe unbrauchbar.
Im Stand der Technik werden deshalb Herstellverfahren für Faserverbundwerkstoffe vorgeschlagen, bei denen der Gasdruck innerhalb des Materials durch aufwendig angepasste thermische Prozessführung so niedrig gehalten wird, dass es zu keiner signifikanten Schädigung innerhalb des Lagenaufbaus durch die Ausbildung von Schichtablösungen bzw. Delaminationen kommt. Im frühen Stadium des Formgebungsprozesses wird beispielsweise mit hohem Gegendruck gearbeitet, um ein Schäumen oder eine Blasenbildung zu vermeiden. Im Autoklavverfahren erfolgt dies mit Gasdruck im Warmpressverfahren. Jedoch kann der Gasdruck innerhalb des Faserverbundmaterials bisher noch nicht vollständig abgebaut werden. Zudem verursacht eine angepasste Prozessführung deutlich längere Verarbeitungs- und Zykluszeiten und somit höhere Prozesskosten bei der Herstellung von Faserverbundwerkstoffen.
Es war deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die oben genannten unerwünschten Materialdefekte in Faserverbundwerkstoffen reduziert werden können, ohne dass sich die Zykluszeit für die Herstellung eines solchen Faserverbundwerkstoffes erhöht. Desweiteren bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines defektarmen und damit gegenüber herkömmlichen Faserverbundwerkstoffen stabileren Faserverbundwerkstoffs. Aus diesem sollten sich ohne Schwierigkeiten Bauteile mit Wandstärken von 100 bis 500 mm fertigen lassen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren und den in Anspruch 11 beschriebenen Faserverbundwerkstoff gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Das Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes ist dadurch gekennzeichnet, dass

a) in einem Formgebungsschritt bis etwa 200°C ein Rohling aus einer Matrix aus einem Polymer oder Schlicker, mindestens einem Faserbündel und einer Anordnung von Fäden eines thermoplastischen Materials gebildet wird,
b) in einem Temperschritt bis etwa 500°C der Rohling einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, bei Temperaturen, die ein Schmelzen, Verdampfen oder eine Zersetzung des thermoplastischen Materials bewirken, und das thermoplastische Material aus dem Rohling abtransportiert wird unter Ausbildung eines Faserverbundwerkstoffs mit einer Hohlraumstruktur,
c) in einem Hochtemperaturbehandlungsschritt bis etwa 800°C durch eine Umwandlung der Matrix im Faserverbundaufbau entstehende Reaktions- bzw. Abbauprodukte über die Hohlraumstruktur drucklos abgeführt werden.

Die Temperaturbehandlung in dem Temperschritt erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen von 200 bis 250°C, insbesondere von 400 bis 500°C.
Die Temperatur ist dabei so auszuwählen, dass sie höher ist als die Temperatur, bei der das thermoplastische Material schmilzt, verdampft und/oder sich zersetzt.
Das thermoplastische Material, das bei dem Herstellverfahren verwendet wird, ist bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterepthalat (PET), Polylactid (PLA) und/oder Polycarbonat (PC), Polyolefinen, insbesondere Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), aus Polymeren ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrole (ABS), Polyamide (PA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Polystyrole (PS), Polyetheretherketone (PEEK) und/oder Polyvinylchloride (PVC) und/oder Blends hiervon ausgewählt.
Besonders bevorzugt ist das thermoplastische Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PS, PMMA, PP, PET, PC und Blends hiervon.
Alle bevorzugten thermoplastischen Materialien bestehen somit aus Polymeren oder Polymerblends, die auf einem Kohlenstoffrückgrat basieren, wobei unter „Rückgrat“ die längste kontinuierliche aus Bindungen gebildete Strecke des Polymers zu verstehen ist.
Es ist bevorzugt, dass das thermoplastische Material eine Glasübergangstemperatur von mindestens 60°C und höchstens 130°C aufweist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das thermoplastische Material eine Glasübergangstemperatur von mindestens 80°C aufweist, da dies für die Formgebung entscheidend ist.
Erfindungsgemäß schmelzen, verdampfen und/oder zersetzen sich mehr als 50% des thermoplastischen Materials in dem Schritt, der auf den ersten Schritt des Verfahrens folgt. Dadurch wird gewährleistet, dass an der Stelle, an der sich im ersten Schritt das thermoplastische Material befindet, im folgenden Schritt Hohlräume entstehen.
Das thermoplastische Material wird in dem Verfahren als Faden und nicht als Pulver oder Granulat eingesetzt. Die Thermoplaststrukturen (Fäden) können sich dabei in einer Ebene befinden oder eine dreidimensionale Struktur bilden, welche beispielsweise aus einem 3D Druck resultiert. Die Anordnung der Fäden besteht somit in einer unidirektionalen Schicht, in einem Gelege, einem Gewebe und/oder einer dreidimensionalen Struktur, bei der die Fäden an zumindest einer Seite, bevorzugt an mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten, des Rohlings bis zur Oberfläche des Rohlings geführt sind. Eine vollständige Verkapselung der thermoplastischen Fäden in der Matrix entspricht hingegen nicht dem erfindungsgemäßen Prinzip.
Bevorzugt ist eine alternierende Anordnung von Schichten aus Faserbündeln und Schichten, die eine Anordnung von Fäden eines thermoplastischen Materials enthalten.
Desweiteren ist die Struktur, die sich aus der Anordnung der Fäden ergibt, sehr fein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Fäden aus dem thermoplastischen Material bevorzugt einen Durchmesser von 10 bis 200 µm, besonders bevorzugt einen Durchmesser von 25 bis 100 µm, aufweisen. Für Kanalstrukturen, die primär für den Transport von Gasen oder Flüssigkeit in der primären Anwendung vorgesehen werden, sind Fadendurchmesser zwischen 1 mm und 5 mm einzusetzen.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Fäden mit einem Additiv beschichtet sind, das insbesondere Bornitrid, Kohlenstoff, Graphit und/oder Silikat enthält. Dieses Additiv ist in einem Anteil von 3 bis 30 Gew.-%, bevorzugt von 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf die Masse der Matrix enthalten und verbleibt beim Abtransport des thermoplastischen Materials im Faserverbundwerkstoff. Die Beschichtung der Fäden mit einem Additiv ist dabei besonders vorteilhaft, da hierdurch beliebige Additive gezielt in den Werkstoff eingebracht werden können. Des Weiteren kann die Additivbeschichtung die Dehnbarkeit und Elastizität der Werkstoffe erhöhen. Im Falle einer Beschichtung mit Additiven sind diese in der an den Hohlraum angrenzenden Oberfläche des Werkstoffes eingelagert.
Es ist bevorzugt, dass die Fasern, die in dem Herstellverfahren zum Einsatz kommen, aus Kohlenstoff, Graphit, SiC, Glas, Basalt, Al₂O₃ oder Mischungen und Kombinationen hiervon bestehen oder diese im Wesentlichen enthalten. Sie weisen bevorzugt einen Durchmesser von 1 bis 30 µm, besonders bevorzugt von 5 bis 20 µm, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 10 um auf. Eine einzelne Faser ist somit dünner als ein einzelner thermoplastischer Faden. Das Faserbündel hingegen hat einen Durchmesser, der in der gleichen Größenordnung wie der Durchmesser des thermoplastischen Fadens liegt.
Es ist bevorzugt, dass in einem weiteren Prozessschritt bei Temperaturen von mindestens 1000°C beispielsweise die entstandene Porenstruktur mit einer flüssigen Phase (Siliciumschmelze im LSI Prozess) oder einer gasförmigen Phase (CVI Prozess) befüllt wird. Hierdurch kann eine Beschichtung der Innenwände der Hohlraumstruktur oder eine weitere Matrix in der Hohlraumstruktur erzeugt werden, wobei die Anordnung der Fäden so gewählt wurde, dass über die Hohlraumstruktur ein primärer Transport und/oder eine Infiltration von Fluiden ermöglicht wird - aber gleichzeitig auch eine Abscheidung, Kristallisation oder Ablagerung von Material wie Graphit oder SiC Keramik in Folge der Infiltration in der Hohlraumstruktur erfolgen kann.
Der erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoff, weist eine Matrix aus einem Polymer oder einer Keramik auf, in der mindestens ein Faserbündel sowie eine Hohlraumstruktur enthalten sind, wobei die Hohlraumstruktur von mindestens einer Oberfläche des Werkstoffes frei zugänglich ist, wodurch ein Abtransport und/oder eine Infiltration von Fluiden möglich ist.
Der Faserverbundwerkstoff weist dabei vorzugsweise einen schichtartigen Aufbau aus mindestens einer Schicht mit der Hohlraumstruktur und mindestens einer Schicht mit Faserbündeln, jeweils eingebettet in die Matrix auf, wobei das Verhältnis der Schichtdicken der Schichten mit den Hohlraumstrukturen zu den Schichten mit Faserbündeln vorzugsweise im Bereich von 1:5 bis 1:10, bevorzugt von 1:6 bis 1,9 und besonders bevorzugt von 1:7 bis 1:8 liegt.
Die Schichten mit den Hohlraumstrukturen haben dabei eine vorzugsweise eine absolute Schichtdicke im Bereich von 5 bis 1000 µm, bevorzugt von 10 bis 500 µm und besonders bevorzugt von 50 bis 200 µm.
Die Matrix enthält dabei ein Additiv, insbesondere ein Kohlenstoff, Bornitrid und/oder Silikat enthaltendes Additiv, das die Hohlräume umschließt, wobei das Additiv, bezogen auf die Masse der Matrix, bevorzugt in einem Anteil von 3 bis 30 Gew.-%, besonderes bevorzugt von 5 bis 20 Gew.-% enthalten ist.
Die Fasern des Faserverbundwerkstoffes weisen dabei einen Durchmesser von 1 bis 30 µm, bevorzugt 5 bis 20 µm, besonders bevorzugt 5 bis 10 µm auf.
Der Faserverbundwerkstoff kann zur Flüssigsilizierung und/oder Herstellung von Strukturkörpern mit komplexen Hohlraumstrukturen, insbesondere für Turbinen, Brennkammern, Wärmetauscher, Bremsschreiben und Spiegelgehäuse von Satelliten verwendet werden.
Nach der Flüssigsilizierung eignet sich der Werkstoff insbesondere zur Herstellung von Bremsscheiben, die gegenüber herkömmlichen Bremsscheiben aus Stahl oder Grauguß eine niedrige Dichte und eine hohe Temperaturstabilität aufweisen.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1-4 zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen eines herkömmlichen (1 und 2) und eines erfindungsgemäßen (3 und 4) kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffes im Vergleich bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Aufnahmen in 1 und 3 zeigen die Werkstoffe nach Einwirkung von Temperaturen bis zu 165°C. Hierbei ist zu sehen, dass der Werkstoff in 1, der kein thermoplastisches Material beinhaltet, Zwickelbereiche mit angereicherter Polymermatrix aufweist. Bei dem Werkstoff in 3, in den ein perlschnurartiges Thermoplastgewebe eingelagert ist, sind diese Bereiche angereicherter Polymermatrix durch das Thermoplastgewebe geteilt. Gerade diese harzreichen Bereiche geben bei thermischer Behandlung besonders viele gasförmige Abbauprodukte ab. Diese Bereiche sind immer Ausgangspunkt für Delaminationen im Material. Das Thermoplastgewebe teilt diese Bereiche in kleinere Volumina auf (3) und kann somit entstehende Gase sofort ableiten (7).
Die Aufnahmen in 2 und 4 zeigen die Werkstoffe nach Behandlung mit einer Temperatur von bis zu 280°C. Hier treten die Unterschiede in der Güte der Materialien deutlicher hervor. In dem Werkstoff, in 2, der keine von der Oberfläche aus zugängliche Hohlraumstruktur besitzt, sind Poren und Risse mit einer Länge von 500 µm zu erkennen, während in dem Werkstoff in 4 nur eine definierte perlschnurartige Hohlraumstruktur an der Stelle vorhanden ist, an der vorher das thermoplastische Material eingelagert war. Defekte wie Risse und Poren sind minimiert.
5 und 6 zeigen lichtmikroskopische Aufnahmen eines erfindungsgemäßen CFK in einem gegenüber den 1-4 vergrößerten Maßstab. In 5 ist das CFK vor der Aufnahme mit dem Lichtmikroskop einer maximalen Temperatur von 165°C ausgesetzt worden. In 6 ist das CFK vor der Aufnahme mit dem Lichtmikroskop mit Temperaturen bis zu 280°C behandelt worden. In beiden Aufnahmen ist die Matrix zu sehen, in welche verstärkende Kohlefaserbündel eingelagert sind, die unidirektional innerhalb der Papierebene oder senkrecht dazu verlaufen. In dem CFK in 5 sind außerdem Fäden aus einem thermoplastischen Material zu erkennen, die senkrecht zur Papierebene verlaufen. Diese sind mit einer Additivschicht überzogen, so dass es keine direkten Berührungspunkte zwischen nebeneinanderliegenden Fäden gibt. Alle Fäden sind im Wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet. Durch Anwendung hoher Temperaturen wird das thermoplastische Material ausgeschmolzen. Es bleibt eine Hohlraumstruktur zurück, die in 6 zu sehen ist. Sie wird durch Porenkanäle gebildet, die von dem Additiv umgeben und voneinander durch das Additiv getrennt sind.
7 zeigt schematisch den Aufbau eines herkömmlichen (Referenz) und eines erfindungsgemäßen (thermoplastmodifizierten) Faserverbundwerkstoffes bei Raumtemperatur und nach Behandlung mit Temperaturen oberhalb von 250 °C. Die Referenz (oben links) besteht aus mehreren beabstandet voneinander geschichteten Gewebelagen, die in eine Matrix eingebettet sind. In der erfindungsgemäßen Variante (oben rechts) sind alternierend Gewebelagen und beschichtete Thermoplastlagen in die Matrix eingebracht. Bei der Referenz sind oberhalb von 250°C (unten links) Risse zwischen den Gewebelagen erkennbar, die einen Entgasungsweg für die Gase bilden, welche bei der Aushärtung der Matrix bei hohen Temperaturen entstehen. Der thermoplastmodifizierte Werkstoff (unten rechts) zeigt keine Delamination und führt das Gas über die Hohlraumstruktur ab, die sich durch Ausschmelzen des Thermoplasten gebildet hat.
Die 8 und 9 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme von kohlefaserverstärktem Siliziumcarbid. In 8 ist die Mesostruktur eines kohlefaserverstärkten Siliziumcarbids gemäß dem Stand der Technik gezeigt, das durch Silizierung eines CFK-Grünkörpers erhalten wurde, der nur durch Aufeinanderschichten von matrixgetränkten Kohlenstofffasergeweben hergestellt wurde und keine definierte Hohlraumstruktur aufgrund eines ausgeschmolzenen Thermoplasten enthält. Innerhalb der markierten Bereiche ist zu sehen, dass die Faserbündel, die senkrecht zur Papierebene verlaufen, durch die Siliziumschmelze angegriffen wurden. In 9 ist die Mesostruktur eines kohlefaserverstärkten Siliziumcarbids gezeigt, das durch Silizierung eines CFK-Grünkörpers erhalten wurde, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Im Vergleich zu 8 weist die C/C-SiC Keramik in 9 deutlich weniger Stellen auf, an denen die Faserstoffbündel, die senkrecht zur Papierebene verlaufen, durch Silizium angegriffen und umgesetzt wurden. Die Teile der Faserbündel die schwarz umrandet sind, sind beispielsweise vollkommen intakt.
10 und 11 zeigen Aufnahmen, die mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops von den C/C-SiC-Werkstoffen aus 8 und 9 gemacht wurde und gegenüber den Aufnahmen in 8 und 9 vergrößert sind. Die Aufnahme in 10 zeigt einen Ausschnitt aus einem silizierten CFK, bei dessen Herstellung kein Thermoplast eingesetzt wurde. Die Aufnahme in 11 zeigt einen Ausschnitt aus einem silizierten CFK, bei dessen Herstellung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgegangen wurde. Während das Faserbündel, das in 10 senkrecht zur Papierebene verläuft, Risse aufwies, die ebenfalls mit Silizium infiltriert wurden und durch die eine unförmige, unstrukturierte Siliziumcarbidschicht entstanden ist, zeigt 11 im Wesentlichen perlschnurartige Strukturen, in denen das Siliziumcarbid enthalten ist.
12 zeigt das Ergebnis einer thermogravimetrischen Analyse an dem thermoplastischen PMMA (dünne Linie) und einem duroplastischen Phenolharz (dicke Linie). Die TGA-Messung wurde bei einer Heizrate von 10 K/min und unter Stickstoffatmosphäre (Durchfluss 30 mL/min) durchgeführt. In dem Diagramm ist zu sehen, dass PMMA bis ca. 260°C stabil ist. Es liegt zwar als Schmelze vor, zersetzt sich aber nicht. Oberhalb von 260°C zersetzt sich PMMA vollständig mit einer Massenänderung von nahezu 100%. Das duroplastische Phenolharz weist hingegen ein anderes thermisches Verhalten auf. Es fängt bei ca. 175°C an, sich zu zersetzen, jedoch läuft die Zersetzung nicht vollständig ab. Selbst bei 900°C weist die duroplastische Probe noch etwa 60% des Gesamtgewichtes auf. Dies belegt, dass sich duroplastische Kunststoffe nicht für die vorliegenden Faserverbundwerkstoffe und die entsprechenden Herstellungsverfahren eignen.
13 zeigt drei Spannungs-Dehnungs-Diagramme verschiedener Faserverbundwerkstoffe im Vergleich. Die Faserverbundwerkstoffe in Diagramm A sind gewöhnliche faserverstärkte C/C-SiC Keramiken. Die Diagramme B und C zeigen erfindungsgemäße Faserverbundwerkstoffe, die eine Hohlraumstruktur aufweisen. Während die Werkstoffe in Diagramm B mit unbeschichteten Fäden aus thermoplastischem Material hergestellt wurden, wurden bei der Herstellung der Werkstoffe in Diagramm C beschichtete Thermoplastenfäden verwendet. Die Beschichtung hat eine Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften der resultierenden Werkstoffe. Ohne Beschichtung werden Werkstoffe mit höherer Biegefestigkeit im Vergleich zu gewöhnlichen Werkstoffen erzielt. Mit Beschichtung weisen die Werkstoffe eine höhere Dehnbarkeit auf.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes, dadurch gekennzeichnet, dass a) in einem Formgebungsschritt bis etwa 200°C ein Rohling aus einer Matrix aus einem Polymer oder Schlicker, mindestens einem Faserbündel und einer Anordnung von Fäden eines thermoplastischen Materials gebildet wird, b) in einem Temperschritt bis etwa 500°C der Rohling einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, bei Temperaturen, die ein Schmelzen, Verdampfen oder eine Zersetzung des thermoplastischen Materials bewirken, und das thermoplastische Material aus dem Rohling abtransportiert wird unter Ausbildung eines Faserverbundwerkstoffs mit einer Hohlraumstruktur, c) in einem Hochtemperaturbehandlungsschritt bis etwa 800°C durch eine Umwandlung der Matrix im Faserverbundaufbau entstehende Reaktions- bzw. Abbauprodukte über die Hohlraumstruktur drucklos abgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperschritt b) bei Temperaturen von 200 bis 250°C, insbesondere von 400 bis 500°C, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyestern, insbesondere Polyethylenterepthalat (PET), Polylactid (PLA) und/oder Polycarbonat (PC), Polyolefinen, insbesondere Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP), Polymeren ausgewählt aus Acrylnitril-Butadien-Styrole (ABS), Polyamide (PA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Polystyrole (PS), Polyetheretherketone (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polybutylenterephthalat (PBT) und/oder Polyvinylchloride (PVC), und/oder Blends hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Material eine Glasübergangstemperatur von mindestens 80°C aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Fäden als unidirektionale Schicht, als Gelege, als Gewebe und/oder als dreidimensionale Struktur erfolgt, wobei die Fäden an zumindest einer Seite, bevorzugt an mindestens zwei gegenüberliegenden Seiten, des Rohlings bis zur Oberfläche des Rohlings geführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden aus dem thermoplastischen Material einen Durchmesser von 10 bis 200 µm, bevorzugt einen Durchmesser von 25 bis 100 µm, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperschritt b) mindestens 50 Gew.-% des thermoplastischen Materials schmelzen, verdampfen und/oder sich zersetzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fäden zumindest teilweise mit einem Additiv, insbesondere enthaltend Kohlenstoff, Graphit, Bornitrid und/oder Silikat beschichtet sind, das beim Abtransport des thermoplastischen Materials im Faserverbundwerkstoff verbleibt, wobei das Additiv, bezogen auf die Masse der Matrix, bevorzugt in einem Anteil von 3 bis 30 Gew.-%, besonderes bevorzugt von 5 bis 20 Gew.-% enthalten ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Kohlenstoff, Graphit, SiC, Glas, Basalt und/oder Al₂O₃ oder Mischungen und Kombinationen hiervon enthalten oder im Wesentlichen daraus bestehen, wobei die Fasern einen Durchmesser vorzugsweise von 1 bis 30 µm, bevorzugt von 5 bis 20 µm und besonders bevorzugt von 5 bis 10 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Prozessschritt bei Temperaturen von mindestens 1000°C die entstandene Porenstruktur mit einer flüssigen Phase (Siliciumschmelze im LSI Prozess) oder einer gasförmigen Phase (CVI Prozess) befüllt wird.
Faserverbundwerkstoff mit einer Matrix aus einem Polymer oder einer Keramik und, darin enthalten, mindestens ein Faserbündel sowie eine Hohlraumstruktur, wobei die Hohlraumstruktur von mindestens einer Oberfläche des Werkstoffes frei zugänglich ist, wodurch ein Abtransport und/oder eine Infiltration von Fluiden möglich ist.
Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff einen schichtartigen Aufbau aus mindestens einer Schicht mit der Hohlraumstruktur und mindestens einer Schicht mit Faserbündeln, jeweils eingebettet in die Matrix aufweist, wobei das Verhältnis der Schichtdicken der Schichten mit den Hohlraumstrukturen zu den Schichten mit Faserbündeln im Bereich von 1:5 bis 1:10, bevorzugt von 1:6 bis 1,9 und besonders bevorzugt von 1:7 bis 1:8 liegt.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten mit den Hohlraumstrukturen eine Schichtdicke im Bereich von 5 bis 1000 µm, bevorzugt von 10 bis 500 µm und besonders bevorzugt von 50 bis 200 µm aufweisen.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix in den Hohlräumen ein Additiv enthält, insbesondere ein Kohlenstoff, Bornitrid und/oder Silikat enthaltendes Additiv, wobei das Additiv, bezogen auf die Masse der Matrix, bevorzugt in einem Anteil von 3 bis 30 Gew.-%, besonderes bevorzugt von 5 bis 20 Gew.-% enthalten ist.
Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser von 1 bis 30 µm, bevorzugt 5 bis 20 µm, besonders bevorzugt 5 bis 10 µm aufweisen.
Verwendung des Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur Flüssigsilizierung und/oder Herstellung von Strukturkörpern mit komplexen Hohlraumstrukturen, insbesondere für Turbinen, Brennkammern, Wärmetauscher, Bremsschreiben und Spiegelgehäuse von Satelliten.