DE102020214936A1

DE102020214936A1 - Faserverbundwerkstofflaminat und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102020214936A1
Application number: DE102020214936.4A
Authority: DE
Inventors: Francesco Italiano; Alberto Girelli Consolaro; Aleksandar Bach; Jürgen Wesemann
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-11-27
Filing date: 2020-11-27
Publication date: 2022-06-02
Also published as: CN114559716A

Abstract

Es wird ein Faserverbundwerkstofflaminat 1 angegeben, das eine Mittelschicht 2, eine Zwischenschicht 3, 3a, 3b und eine auf der der Mittelschicht 2 gegenüberliegenden Seite der Zwischenschicht 3, 3a, 3b angeordnete Außenschicht 4, 4a, 4b aufweist. Die Mittelschicht 2 weist einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 und einer Kunststoffmatrix 6 auf, die Zwischenschicht 3, 3a, 3b weist einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 und/oder Glasfasern 7 und eine Graphennanopartikeln 8 aufweisende Kunststoffmatrix 6 auf und die Außenschicht 4, 4a, 4b weist einen Verbundwerkstoff mit Glasfasern 7 und einer Kunststoffmatrix 6 auf.Daneben werden eine Blattfeder 10 sowie eine Schraubenfeder mit einem solchen Faserverbundwerkstofflaminat 1 sowie ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung des Faserverbundwerkstofflaminats 1 angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Faserverbundwerkstofflaminat ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie eine Blattfeder, eine Schraubenfeder und ein Fahrzeug.
Blattfedern aus faserverstärkten Kunststoffen zeichnen sich durch ein geringes Gewicht sowie sehr gute Ermüdungs- und Korrosionseigenschaften aus. Sie haben daher das Potential, konventionelle Blattfedern aus Stahl, z. B. in Fahrzeugen, ersetzen zu können. Für die Fertigung von Blattfedern aus faserverstärkten Kunststoffen sind glasfaserverstärkte Kunststoffe besonders geeignet, da sie im Vergleich zu Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eine höhere Dehnungsfähigkeit aufweisen und zudem kostengünstiger sind.
Ein Nachteil von faserverstärkten Kunststoffen im Vergleich zu Stahl ist jedoch die geringere Steifigkeit, so dass häufig geometrische Anpassungen von Bauteilen erfolgen müssen, z. B. in Form von Querschnittsänderungen, um Anforderungen an die Steifigkeit des Bauteils erfüllen zu können.
Eine breitere Ausführung von Blattfedern aus faserverstärkten Kunststoffen ist eine Möglichkeit, laterale Steifigkeitsverringerungen auszugleichen. Allerdings kommt es häufig vor, dass aufgrund eines begrenzten Bauraums im Einsatzgebiet der Blattfeder abweichende Abmessungen der Blattfeder nicht möglich sind.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung verschiedener Fasern mit unterschiedlichen Eigenschaften. So können Fasern mit höherer Steifigkeit, z. B. Kohlenstofffasern, mit Fasern geringerer Steifigkeit, z. B. Glasfasern kombiniert werden, indem beispielsweise verschiedene Fasern aufeinander abgelegt werden, um einen Schicht- oder Lagenaufbau zu erhalten. Dadurch kann ein Kompromiss bezüglich Kosten und mechanischen Eigenschaften gefunden werden. Beispielsweise sind aus der DE 101 39 780 A1 Blattfedern mit Glasfasern und Kohlenstofffasern bekannt.
Ein aus Design- und Kostengründen geeigneter Schichtaufbau, mit dem die laterale Steifigkeit erhöht werden kann und der die vertikale Steifigkeit nur minimal beeinflusst, sieht Lagen steiferer Kohlenstofffasern in einer mittleren Ebene und Glasfasern in den äußeren Ebenen vor, so dass sich ein Aufbau Glasfasern - Kohlenstofffasern - Glasfasern ergibt, wie er z. B. aus der DE 10 2009 058 170 A1 bekannt ist.
Bei einem solchen Schichtaufbau können jedoch Versagenserscheinungen an den Grenzflächen der verschiedenen Fasern auftreten. Diese können durch interlaminare Scherkräfte verursacht werden, die sich aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeit in Längsrichtung der Glas- und Kohlenstofffaserlagen unterschiedlich auswirken.
Bei Belastung der Blattfedern werden diese Biegemomenten ausgesetzt, welche Dehnungen und Stauchungen in Längsrichtung verursachen. Die auftretenden Spannungen in den verschiedenen Schichten sind im Wesentlichen direkt proportional zur Steifigkeit der betreffenden Schicht.
Wird die Blattfeder als idealer Strahl angesehen, der ausschließlich einer Biegebelastung ausgesetzt wird, ändern sich Dehnung und Spannung linear über die gesamte Dicke der Blattfeder, falls diese durchgängig aus dem gleichen Material gefertigt ist. Diese Situation ist in 1 dargestellt.
Wird hingegen der vorstehend beschriebene Aufbau Glasfasern - Kohlenstofffasern - Glasfasern gewählt, treten bei gleichen Bedingungen interlaminare Scherspannungen an den Grenzflächen auf, die durch die unterschiedliche Steifigkeit der Fasern verursacht werden. Diese Situation ist in 2 dargestellt.
Bei fortwährender Beanspruchung der Blattfeder können diese interlaminaren Scherspannungen zur Delamination der einzelnen Lagen und einem Versagen des Bauteils führen. Eine eingeschränkte Lebensdauer der Blattfeder im Vergleich zu herkömmlichen Blattfedern aus Stahl kann die Folge sein.
Weiterhin ist aus der DE 10 2015 122 621 A1 ein Werkstoff bekannt, der zwei oder mehr in Schichten angeordnete Materialien enthält, wobei die Schichten unterschiedliche Module aufweisen und diese derart geordnet sind, dass ausgehend von einer neutralen Faser diese abfallende Module aufweisen. Beispielsweise kann eine Kohlenstofffaserlage mittig angeordnet und von Glasfaserlagen umgeben werden.
Des Weiteren ist aus der DE 10 2017 122 564 A1 ein Laminat bekannt, das als elektrisch leitende Schicht eine Graphenschicht aufweisen kann.
Zudem wird in der Publikation SUN, J., JI, J., CHEN Z., LIU, S., ZHAO, J. Epoxy resin composites with commercially available graphene: toward high toughness and rigidity. RSC Adv., 2019, 9, 33147-33154 die Verwendung von Graphen als Füllmaterial in Epoxidharzen offenbart. Aus dieser Veröffentlichung geht zudem hervor, dass eine mit Graphennanopartikeln verstärkte Matrix im Vergleich zu einer nicht Graphennanopartikel-verstärkten Matrix eine höhere Zugfestigkeit aufweisen kann.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, Materialien für Blattfedern anzugeben, mit denen die vorstehend beschriebenen Nachteile verringert oder sogar vermieden werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen spezielle Ausgestaltungen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Faserverbundwerkstofflaminat, also ein Material aus mehreren flächig miteinander verbundenen Schichten aus einem Faserverbundwerkstoff.
Das erfindungsgemäße Faserverbundwerkstofflaminat weist eine Mittelschicht, eine Zwischenschicht und eine auf der der Mittelschicht gegenüberliegenden Seite der Zwischenschichte angeordnete Außenschicht auf.
Optional kann ein symmetrischer Aufbau vorgesehen sein, bei dem das Faserverbundwerkstofflaminat eine Mittelschicht, beidseits der Mittelschicht angeordnete Zwischenschichten und auf den der Mittelschicht gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichten angeordnete Außenschichten aufweist.
Hierbei bedeutet „auf den der Mittelschicht gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichten angeordnete Außenschichten“, dass jede Außenschicht an eine der Zwischenschichten auf der der Mittelschicht gegenüberliegenden Seite der Zwischenschicht angrenzt, unabhängig von der konkreten räumlichen Anordnung. Mit anderen Worten bedeutet „auf“ nicht zwingend eine Anordnung „oberhalb“, sondern lediglich benachbart. Folglich ergibt sich folgender Aufbau des Faserverbundwerkstofflaminats: Außenschicht - Zwischenschicht - Mittelschicht - Zwischenschicht - Außenschicht.
Optional kann das Faserverbundwerkstofflaminat weitere Schichten aufweisen, die zwischen den bereits genannten Schichten angeordnet sein können oder als weitere Schichten auf der Außenschicht angeordnet sind. In einer Ausführungsform weist das Faserverbundwerkstofflaminat lediglich die explizit genannten Schichten gemäß vorstehend angegebenen Aufbau auf.
Jede Schicht des Faserverbundwerkstofflaminats weist zumindest ein Verstärkungsmaterial in Form von Fasern auf, die in eine Matrix, insbesondere eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die verschiedenen Schichten unterscheiden sich durch die Verwendung unterschiedlicher Verstärkungsfasern und/oder unterschiedlicher Matrices.
Jede Schicht kann eine oder mehrere Lagen aufweisen. Die Anzahl der Lagen kann von der vorgesehenen maximalen Belastung des Faserverbundwerkstofflaminats abhängen. Die Fasern innerhalb einer Lage können vorzugsweise Endlosfasern sein und unidirektional innerhalb der Lage ausgerichtet sein oder in Form eines Gewebes oder Geleges vorliegen. U. a. durch die Abmessungen der Fasern, ihre Anordnung innerhalb der Lage, den Faservolumenanteil und die Anzahl der Lagen innerhalb einer Schicht können die Eigenschaften des Faserverbundwerkstofflaminats bedarfsgerecht variiert werden. Der Faservolumenanteil kann beispielsweise zwischen 40 und 60 % liegen.
Erfindungsgemäß weist die Mittelschicht einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern und einer Kunststoffmatrix auf. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff der Mittelschicht aus in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Kohlenstofffasern bestehen.
Die Zwischenschichten weisen einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstoff- und/oder Glasfasern und eine Graphennanopartikeln aufweisende Kunststoffmatrix auf. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff der Zwischenschichten aus in eine Graphennanopartikeln aufweisende Kunststoffmatrix eingebetteten Kohlenstoff- und/oder Glasfasern bestehen.
Die Außenschichten weisen einen Verbundwerkstoff mit Glasfasern und einer Kunststoffmatrix auf. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff der Außenschichten aus in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Glasfasern bestehen.
Der Begriff „Glasfaser“ bezeichnet vorliegend ein Material aus Glasfilamenten. Als Glas kann beispielsweise E-Glas, S-Glas oder R-Glas genutzt werden.
Der Begriff „Kohlenstofffaser“ bezeichnet vorliegend ein Material aus Kohlenstofffilamenten. Kohlenstoffasern können beispielsweise ausgehend von Polyacrylnitril oder Pech erzeugt werden.
Mehrere Glasfilamente bzw. Kohlenstofffilamente können dabei einen Roving bilden, in dem eine Vielzahl von Glasfilamenten parallel zueinander angeordnet ist. Bei dem Roving kann es sich um einen Direktroving handeln, der unmittelbar nach dem Spinnen und einem Schlichteauftrag auf die Einzelfilamente gebildet wird. Alternativ kann es sich um einen assemblierten Roving handeln, der durch Fachen aus mehreren Direktrovings oder Multifilamentgarnen gebildet wird.
Der Begriff „Kunststoffmatrix“ bezeichnet vorliegend ein Kunststoffmaterial, in das die Fasern des Faserverbundwerkstofflaminats eingebettet sind bzw. werden. Vorzugsweise ist die Kunststoffmatrix eine duroplastische Matrix. Die Kunststoffmatrix kann beispielsweise ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Epoxidharzmatrices, Vinylestermatrices, Aminoharzmatrices, Phenol-Formaldehydharzmatrices, ungesättigte Polyesterharzmatrices und Polyurethanmatrices. Bevorzugt ist die Kunststoffmatrix eine Epoxidharzmatrix oder eine Polyurethanmatrix. Vorzugsweise wird für alle Schichten die gleiche Kunststoffmatrix verwendet. Der Begriff „Kunststoffmatrix“ wird vorliegend je nach konkretem Zusammenhang sowohl für die Matrix im vollständig ausgehärteten Zustand, teilweise ausgehärteten Zustand sowie noch nicht ausgehärteten Zustand gebraucht.
Der Begriff „Graphen“ bezeichnet vorliegend eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler, d. h. einlagiger, Struktur. In dieser Struktur ist jedes Kohlenstoffatom von drei weiteren Kohlenstoffatomen in einem Winkel von 120 ° umgeben ist, so dass eine bienenwabenartige Struktur ausgebildet ist.
Der Begriff „Graphennanopartikeln“ bezeichnet vorliegend ein Material aus ungebundenen, aggregierten und/oder agglomerierten Graphenpartikeln, bei dem mindestens 50 % der Partikel, Aggregate bzw. Agglomerate in der Anzahlgrößenverteilung ein oder mehrere Außenmaße im Bereich zwischen 1 nm und 100 nm aufweisen. Vorzugsweise können die Graphennanopartikel in Form von Nanoplättchen (engl. nanoplatelets) vorliegen, die durch eine geringe Anzahl, d. h. weniger als 10, gestapelter Grapheneinzellagen gebildet werden. Die Abmessungen der Grapheneinzellagen, d. h. die Längenausdehnung der zweidimensionalen Grapheneinzellagen, können beispielsweise zwischen 5 und 40 µm betragen.
Graphennanopartikel zeichnen sich zum einen durch eine große spezifische Oberfläche, z. B. im Bereich zwischen 50 m²/g und 1000 m²/g, aus und zum anderen durch eine im Vergleich zu anderen Kohlenstoffnanopartikeln, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren, höhere Oberflächenenergie aus. Beide Eigenschaften wirken sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des vorgeschlagenen Faserverbundwerkstofflaminats aus. Zudem lassen sich die Eigenschaften des Faserverbundwerkstofflaminats bereits durch Zugabe geringer Mengen an Graphennanopartikeln und somit kostengünstig beeinflussen. Beispielsweise kann der Anteil der Graphennanopartikel in der Graphennanopartikel aufweisenden Kunststoffmatrix zwischen 0,01 Gew.-% und 10 Gew.-% betragen.
Optional kann die Oberfläche der Graphennanopartikel modifiziert sein, um z. B. die Verteilung und/oder Stabilisierung innerhalb der Kunststoffmatrix zu verbessern. Eine Oberflächenmodifizierung kann beispielsweise durch Säurebehandlung und Dispergierung in Polyvinylpyrrolidon erfolgen, wie in der Publikation SUN, J., JI, J., CHEN Z., LIU, S., ZHAO, J. Epoxy resin composites with commercially available graphene: toward high toughness and rigidity. RSC Adv., 2019, 9, 33147-33154 beschrieben.
Geeignete Graphennanopartikel können aus Graphit gewonnen werden und sind durch unterschiedliche Verfahren herstellbar, z. B. durch chemisches Exfolieren, Gasphasenabscheidung, Oxidierung und/oder Ultraschallbehandlung.
Durch die Verstärkung der Kunststoffmatrix mittels Graphennanopartikeln kann die Fähigkeit des Laminats, Energie aufzunehmen, erhöht werden, so dass das Laminat einem möglichen Zwischenschichtbruch besser standhalten kann.
Mit anderen Worten wird die Bruchenergie, d. h. die maximale Energie, die das Materialsystem bzw. Laminat bis zu einer progressiven und feststellbaren Degradierung der mechanischen Eigenschaften oder sogar zur Erreichung eines katastrophalen Bruches aufnehmen kann, durch die Verwendung von Graphennanopartikeln erhöht. Diese Aussage wird durch die Tatsache gestützt, dass der Graphen-verstärkte Verbund eine höhere Bruchdehnung bzw. Zugfestigkeit erreicht.
Die Verwendung von Zwischenschichten mit einer Graphennanopartikel aufweisenden Kunststoffmatrix führt also zu verbesserten Eigenschaften des Faserverbundwerkstofflaminats im Vergleich zu Faserverbundwerkstofflaminaten ohne Zwischenschichten, d. h. mit dem in der einleitenden Beschreibung erläuterten Aufbau.
Eine mögliche, nicht einschränkende Erklärung der Erfinder für die vorteilhaften Eigenschaften geht davon aus, dass die Graphennanopartikel aufgrund der großen spezifischen Oberfläche auf der Mikroebene als Verstärkung der ansonsten weichen Matrix wirken und dadurch zu einer relevanten Erhöhung der notwendigen Bruchenergie beitragen. Die Graphennanopartikel ermöglichen dabei eine verbesserte „Abstützung“ der Fasern in der Matrix.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Blattfeder mit einem Faserverbundwerkstofflaminat gemäß vorstehender Beschreibung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstofflaminats lassen sich analog auf die vorgeschlagene Blattfeder übertragen. Mit der Blattfeder sind die Vorteile des Faserverbundwerkstofflaminats entsprechend verbunden.
Bei einer Blattfeder treten die höchsten Spannungen in Längsrichtung auf, wenn die Blattfeder der maximal erlaubten Einfederung ausgesetzt wird. Um zu vermeiden, dass solche Spannungen die Lebensdauer des Materials negativ beeinflussen, wird eine mit Graphennanopartikeln verstärkte Zwischenschicht vorgesehen, die bewirkt, dass das Faserverbundwerkstofflaminat der Blattfeder eine höhere Energie aufnehmen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Schraubenfeder mit einem Faserverbundwerkstofflaminat gemäß vorstehender Beschreibung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstofflaminats lassen sich analog auf die vorgeschlagene Schraubenfeder übertragen. Mit der Schraubenfeder sind die Vorteile des Faserverbundwerkstofflaminats entsprechend verbunden.
Bei Einfederung werden Schraubenfedern hohen Torsionsbelastungen ausgesetzt, die für hohe Scherspannungen verantwortlich sind. Eine mit Graphennanopartikeln verstärkte Zwischenschicht kann auch in diesem Fall an den Stellen vorgesehen, an denen die höchsten Scherspannungen ansonsten zu einer wesentlichen Reduzierung der Lebensdauer des Bauteils führen würden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Blattfeder oder einer Schraubenfeder gemäß vorstehender Beschreibung. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Blattfeder bzw. Schraubenfeder lassen sich analog auf das vorgeschlagene Fahrzeug übertragen. Mit dem Fahrzeug sind die Vorteile der Blattfeder bzw. Schraubenfeder entsprechend verbunden.
Unter einem Fahrzeug kann jedes mobile Verkehrsmittel, d. h. sowohl ein Landfahrzeug, z. B. ein Personenkraftwagen, als auch ein Wasser- oder Luftfahrzeug verstanden werden.
In einem Fahrzeug wirkt sich die vorgeschlagene Blatt- bzw. Schraubenfeder aufgrund ihres geringeren Gewichts im Vergleich zu einer Stahlfeder besonders vorteilhaft aus, da dadurch das Fahrzeuggewicht reduziert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstofflaminats gemäß vorstehender Beschreibung. Ein solches Faserverbundwerkstofflaminat kann mittels der folgenden Verfahrensschritte hergestellt werden: Herstellen von die Mittelschicht, die Zwischenschicht und die Außenschicht bildenden Faser-Matrix-Halbzeugen, Anordnen des die Zwischenschicht bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs auf dem die Mittelschicht bildenden Faser-Matrix-Halbzeug und Anordnen des die Außenschicht bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs auf der der Mittelschicht gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschicht und Aushärten der Faser-Matrix-Halbzeuge.
Bei einem symmetrischen Aufbau des herzustellenden Faserverbundwerkstofflaminats werden Zwischenschichten bildende Faser-Matrix-Halbzeuge beidseits des die Mittelschicht bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs angeordnet und Außenschichten bildende Faser-Matrix-Halbzeuge werden auf den der Mittelschicht gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichten angeordnet.
Folglich weist das Verfahren bei einem symmetrischen Aufbau des herzustellenden Faserverbundwerkstofflaminats die folgenden Verfahrensschritte auf: Herstellen von die Mittelschicht, die Zwischenschichten und die Außenschichten bildenden Faser-Matrix-Halbzeugen, Anordnen der die Zwischenschichten bildenden Faser-Matrix-Halbzeuge beidseits des die Mittelschicht bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs und Anordnen der die Außenschichten bildenden Faser-Matrix-Halbzeuge auf den der Mittelschicht gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichten und Aushärten der Faser-Matrix-Halbzeuge.
Der Begriff „Faser-Matrix-Halbzeug“ bezeichnet ein Halbfabrikat aus den Verstärkungsfasern, d. h. Glas- bzw. Kohlenstofffasern, die mit der Kunststoffmatrix getränkt sind. Das Faser-Matrix-Halbzeug kann beispielsweise ein sog. Prepreg sein.
Das die Mittelschicht bildende Faser-Matrix-Halbzeug weist mit einer Kunststoffmatrix getränkte Kohlenstofffasern auf. Das die Zwischenschichten bildende Faser-Matrix-Halbzeug weist mit einer Graphennanopartikeln aufweisenden Kunststoffmatrix getränkte Kohlenstoff- und/oder Glasfasern auf. Das die Außenschichten bildende Faser-Matrix-Halbzeug weist mit einer Kunststoffmatrix getränkte Glasfasern auf.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die separate und ggf. maschinelle Fertigung der die einzelnen Schichten bildenden Halbzeuge, so dass diese vorgefertigt und zu einem späteren Zeitpunkt bedarfsgerecht miteinander kombiniert werden können. Dadurch kann die Herstellung des Faserverbundwerkstofflaminats kostengünstig und zügig erfolgen.
Das Herstellen der die Zwischenschichten bildende Faser-Matrix-Halbzeuge kann ein Imprägnieren von Kohlenstoff- und/oder Glasfasern mit einer Graphennanopartikel aufweisenden Kunststoffmatrix aufweisen.
Mit anderen Worten können zunächst Graphennanopartikel und der Kunststoff der Kunststoffmatrix miteinander vermischt werden, bevor die sich daraus ergebende Graphennanopartikel aufweisende Kunststoffmatrix auf die Kohlenstoff- und/oder Glasfasern aufgebracht wird. Das Aufbringen der Graphennanopartikel aufweisende Kunststoffmatrix auf die Kohlenstoff- und/oder Glasfasern kann beispielsweise mittels eines Tauchverfahrens oder eines Sprühverfahrens erfolgen. Diese Verfahrensvariante zeichnet sich durch eine besonders gute Verteilung der Graphennanopartikel innerhalb der Kunststoffmatrix aus. Die Reproduzierbarkeit kann gegenüber der nachfolgend beschriebenen Verfahrensvariante verbessert sein, so dass Faserverbundwerkstofflaminate mit gleichbleibender Qualität verlässlich hergestellt werden können.
Alternativ kann das Herstellen der die Zwischenschichten bildenden Faser-Matrix-Halbzeuge ein Imprägnieren von Kohlenstoff- oder Glasfasern mit einer Kunststoffmatrix und ein nachfolgendes Aufsprühen von Graphennanopartikeln aufweisen.
Mit anderen Worten kann zunächst die Kunststoffmatrix auf die Kohlenstoff- und/oder Glasfasern aufgebracht werden, z. B. mittels eines Tauchverfahrens oder eines Sprühverfahrens. Nachfolgend werden Graphennanopartikel mittels eines Sprühverfahrens auf die bereits mit der Kunststoffmatrix getränkten Fasern aufgebracht. Diese Verfahrensvariante hat den Vorteil, dass die Graphennanopartikel vorrangig an der Oberfläche angelagert werden und beim Anordnen der die einzelnen Schichten bildenden Faser-Matrix-Halbzeuge folglich vorrangig an den Grenzflächen zu den benachbarten Schichten lokalisiert sind. Dies kann sich vorteilhaft auf die Grenzflächeneigenschaften auswirken. Zudem kann der Verbrauch an Graphennanopartikeln gegenüber der vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante reduziert sein.
Anschließend können bei beiden Verfahrensvarianten die erhaltenen imprägnierten Fasern abgelegt und ausgerichtet werden, um die gewünschten Faser-Matrix-Halbzeuge zu erhalten.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

1 eine Darstellung zur Spannung in x-Richtung in einem Glasfaserlaminat gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Darstellung zur Spannung in x-Richtung in einem Laminat aus Glasfaserschichten und Kohlenstofffaserschichten gemäß dem Stand der Technik;
3 eine Darstellung zur Spannung in x-Richtung in einem beispielhaften Faserverbundwerkstofflaminats aus Glasfaserschichten und Kohlenstofffaserschichten mit Graphennanopartikel verstärkten Zwischenschichten;
4 eine schematische Darstellung der Herstellung eines beispielhaften Faser-Matrix-Halbzeugs zur Bildung einer Zwischenschicht;
5 eine schematische Darstellung einer alternativen Herstellung eines beispielhaften Faser-Matrix-Halbzeugs zur Bildung einer Zwischenschicht;
6 eine schematische Darstellung zur Herstellung eines beispielhaften Faser-Matrix-Halbzeugs zur Bildung einer Mittelschicht;
7 eine schematische Darstellung zur Herstellung eines beispielhaften Faser-Matrix-Halbzeugs zur Bildung einer Außenschicht;
8 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Faserverbundwerkstofflaminats;
9 eine Darstellung zur Änderung der Bruchenergie;
10 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens; und
11 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Blattfeder und der darin auftretenden Spannungsverteilung.

1 zeigt eine Abbildung zu Spannungen, die bei Biegebelastung in einem einschichtigen Glasfaserlaminat gemäß dem Stand der Technik auftreten. Eine solche Biegebelastung kann beispielsweise auftreten, falls das einschichtige Glasfaserlaminat als Blattfeder 10 genutzt wird. In der Mitte des Laminats, d. h. bei Ausdehnung in z-Richtung bezüglich der mittleren Ebene des Laminats von 0 m, beträgt die Spannung 0 Pa. Im Bereich positiver Abweichung der Ausdehnung in z-Richtung bezüglich der mittleren Ebene des Laminats kommt es zur Dehnung, während im Bereich negativer Abweichung der Ausdehnung in z-Richtung bezüglich der mittleren Ebene des Laminats eine Stauchung auftritt. Für das untersuchte einschichtige Glasfaserlaminat ergibt sich ein linearer Verlauf der Spannung über die Dicke des Laminats (z-Richtung).
Ein solcher linearer Verlauf ist prinzipiell wünschenswert. Allerdings sind einschichtige Glasfaserlaminate aus den eingangs erläuterten Gründen für die Nutzung als Blattfeder 10 zumeist ungeeignet.
2 zeigt daher eine mit 1 vergleichbare Abbildung für ein dreischichtiges Laminat aus einer Mittelschicht 2 mit einer kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmatrix 6 und Außenschichten 4a, 4b mit einer glasfaserverstärkten Kunststoffmatrix gemäß dem Stand der Technik. Im Vergleich zu 1 zeigt sich ein linearer Verlauf der Spannung über die Dicke des Laminats lediglich innerhalb der einzelnen Schichten 2, 4a, 4b. Demgegenüber kommt es an der Grenzfläche der Schichten 2, 4a, 4b jeweils zu einer sprunghaften Änderung. Dies führt zu interlaminaren Scherspannungen, die ein Versagen des Laminats nach sich ziehen können.
Das vorgeschlagene Faserverbundwerkstofflaminat 1 verringert dieses Problem, indem Zwischenschichten 3, 3a, 3b vorgesehen werden. 8 zeigt den Aufbau eines solchen beispielhaften Faserverbundwerkstofflaminat 1 schematisch.
Das beispielhafte Faserverbundwerkstofflaminat 1 gemäß 8 weist eine Mittelschicht 2, eine auf der Mittelschicht 2 angeordnete Zwischenschicht 3 und eine auf der Zwischenschicht 3 angeordnete Außenschicht 4 auf. Die Mittelschicht 2 und die Außenschicht 4 sind jeweils zweilagig aufgebaut, d. h. sie umfassen die Mittelschichtlagen 2₁ und 2₂ bzw. die Außenschichtlagen 4₁ und 4₂. Die Anzahl der Lagen ist jedoch nicht beschränkend und es kann eine abweichende Anzahl der Lagen vorhanden sein. Ebenso kann auch die Zwischenschicht 3 mehrere Lagen aufweisen.
Die Mittelschicht 2 weist einen Verbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern 5 und einer Kunststoffmatrix 6 auf, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um eine Epoxidharzmatrix handelt. Alternativ könnte beispielsweise eine Polyurethanmatrix verwendet sein. Die Kohlenstofffasern 5 liegen als Endlosfasern vor, wobei Einzelfilamente zu einem Roving zusammengefasst sind. Die Ausrichtung der Kohlenstofffasern 5 ist unidirektional.
Die Zwischenschicht 3 weist einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 und eine Graphennanopartikel 8 aufweisende Kunststoffmatrix 6 auf, bei der es sich ebenfalls um eine Epoxidharzmatrix handelt. Alternativ oder zusätzlich zu den Kohlenstofffasern 5 kann die Zwischenschicht auch Glasfasern 7 aufweisen.
Die Außenschicht 4 weist einen Verbundwerkstoff aus Glasfasern 7 und einer Kunststoffmatrix 6 auf, bei der es sich ebenfalls um eine Epoxidharzmatrix handelt. Die Glasfasern 7 liegen als Endlosfasern vor, wobei Einzelfilamente zu einem Roving zusammengefasst sind. Die Ausrichtung der Glasfasern 7 ist unidirektional und parallel zu den Kohlenstofffasern in der Mittelschicht 2 und der Zwischenschicht 3.
Optional kann das Faserverbundwerkstofflaminat 1 symmetrisch aufgebaut sein, wobei sich beidseits der Mittelschicht 2 Zwischenschichten 3a, 3b und Außenschichten 4a, 4b anschließen, wie in 3 gezeigt. Die Erläuterungen zu 8 sind auf eine solche Ausführung entsprechend übertragbar.
3 zeigt eine mit den 1 und 2 vergleichbare Abbildung für ein symmetrisch aufgebautes Faserverbundwerkstofflaminat 1 mit einer Mittelschicht 2 aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 und einer Kunststoffmatrix 6, zwei Zwischenschichten 3a, 3b aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 oder Glasfasern 7 und einer Graphennanopartikel 8 aufweisenden Kunststoffmatrix 6 und Außenschichten 4a, 4b aus einem Verbundwerkstoff mit Glasfasern 7 und einer Kunststoffmatrix 6. Die in 3 gezeigte Legende gilt auch für die weiteren Figuren.
Die Graphennanopartikel 8 in den Zwischenschichten 3a, 3b bewirken, wie in 9 gezeigt, eine Erhöhung der Bruchenergie, so dass die Lebensdauer des Faserverbundwerkstofflaminats 1 bei Belastung erhöht wird. Wenn die Mischungsregel zur Berechnung der zu erwartenden Zugfestigkeit und Bruchdehnung vom gesamten Verbund herangezogen wird, kann geschlussfolgert werden, dass die gesamte Energie eines mit Graphennanopartikeln verstärkten Verbundes, die als Fläche unter den Geraden in 9 dargestellt wird, größer wird.
Die Herstellung des Faserverbundwerkstofflaminats 1 kann gemäß dem in 10 gezeigten Ablaufschema erfolgen. In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden Faser-Matrix-Halbzeuge 9 hergestellt, die im fertigen Faserverbundwerkstofflaminat 1 die Mittelschicht 2, die Zwischenschicht(en) 3, 3a, 3b und die Außenschicht(en) 4, 4a, 4b bilden.
Das die Zwischenschicht(en) 3, 3a, 3b bildende Faser-Matrix-Halbzeug 9 kann dabei entweder durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern 5 und/oder Glasfasern 7 mit einer Graphennanopartikel 8 aufweisenden Kunststoffmatrix 6 oder durch Imprägnieren von Kohlenstofffasern 5 oder Glasfasern 7 mit einer Kunststoffmatrix 6 und ein nachfolgendes Aufsprühen von Graphennanopartikeln 8 hergestellt werden.
Im Verfahrensschritt S2 werden die Faser-Matrix-Halbzeuge 9 in der gewünschten Reihenfolge aufeinander angeordnet, d. h. das die Zwischenschicht(en) 3, 3a, 3b bildende Faser-Matrix-Halbzeug 9 wird auf dem die Mittelschicht 2 bildenden Faser-Matrix-Halbzeug 9 abgelegt und das die Außenschicht(en) 4, 4a, 4b bildende Faser-Matrix-Halbzeug 9 wird auf dem die Zwischenschicht(en) 3, 3a, 3b bildenden Faser-Matrix-Halbzeug 9 abgelegt.
Im Verfahrensschritte S3 erfolgt ein Aushärten der Faser-Matrix-Halbzeuge, z. B. durch Einwirken von erhöhtem Druck und/oder hoher Temperatur.
Die 4 bis 7 zeigen die Herstellung der einzelnen Faser-Matrix-Halbzeuge 9 schematisch.
In den 4 und 5 sind zwei alternative Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeugs 9 gezeigt, aus dem nachfolgend eine Zwischenschicht 3, 3a, 3b aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 und einer Graphennanopartikel 8 aufweisenden Kunststoffmatrix 6 gebildet werden kann. Alternativ oder zusätzlich zu den Kohlenstofffasern 5 können Glasfasern 7 genutzt werden.
Bei dem in 4 gezeigten Verfahren handelt es sich um einen einstufigen Imprägnierungsprozess, bei dem zunächst eine Graphennanopartikel 8 aufweisende Kunststoffmatrix 6 aus Graphennanopartikeln 8 und der Kunststoffmatrix 6, z. B. einem Epoxidharz, gebildet wird. Hierfür können die Graphennanopartikel 8 in der Kunststoffmatrix 6 mit üblichen Verfahren dispergiert werden. Optional kann eine Vorbehandlung, z. B. eine Oberflächenmodifizierung, der Graphennanopartikel 8 erfolgen, um die Verteilung in der Kunststoffmatrix 6 zu verbessern und/oder die Stabilität der Dispersion zu erhöhen.
Nachfolgend wird die Graphennanopartikel 8 enthaltende Kunststoffmatrix 6 auf die in Form von Rovings vorliegenden Kohlenstofffasern 5 aufgebracht, z. B. mittels Aufsprühens. Anschließend werden die mit der Graphennanopartikel 8 enthaltenden Kunststoffmatrix 6 getränkten Kohlenstofffasern 5 in der gewünschten Anordnung abgelegt durch Teilvernetzung der Kunststoffmatrix 6 kann ein Prepreg als Faser-Matrix-Halbzeug 9, z. B. in Plattenform, erhalten werden.
5 zeigt ein alternatives Verfahren mit einem zweistufigen Imprägnierungsprozess. In einem ersten Imprägnierungsschritt werden die in Form von Rovings vorliegenden Kohlenstofffasern 5 mit der Kunststoffmatrix 6 getränkt. Die derart imprägnierten Fasern werden nachfolgend mit Graphennanopartikel 8 besprüht. Anschließend wird wie bei dem einstufigen Imprägnierungsprozess ein Prepreg ausgebildet.
6 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeugs 9, aus dem nachfolgend eine Mittelschicht 2 aus einem Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern 5 und einer Kunststoffmatrix 6 gebildet werden kann. Hierfür werden die in Form von Rovings vorliegenden Kohlenstofffasern 5 mit der Kunststoffmatrix 6 getränkt. Nach Ablage der mit der Kunststoffmatrix 6 getränkten Kohlenstofffasern 5 in der gewünschten Anordnung kann durch Teilvernetzung der Kunststoffmatrix 6 ein Prepreg als Faser-Matrix-Halbzeug 9 erhalten werden.
7 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Faser-Matrix-Halbzeugs 9, aus dem nachfolgend eine Außenschicht 4, 4a, 4b aus einem Verbundwerkstoff mit Glasfasern 7 und einer Kunststoffmatrix 6 gebildet werden kann. Hierfür werden die in Form von Rovings vorliegenden Glasfasern 7 mit der Kunststoffmatrix 6 getränkt. Nach Ablage der mit der Kunststoffmatrix 6 getränkten Glasfasern 7 in der gewünschten Anordnung kann durch Teilvernetzung der Kunststoffmatrix 6 ein Prepreg als Faser-Matrix-Halbzeug 9 erhalten werden.
11 zeigt eine beispielhafte Blattfeder 10 in einer schematischen Darstellung mit vergrößertem Bereich A. Die Blattfeder 10 weist ein Faserverbundwerkstofflaminat 1 mit symmetrischem Aufbau auf, wobei sich beidseits der Mittelschicht 2 Zwischenschichten 3a, 3b und Außenschichten 4a, 4b anschließen. Sowohl die Mittelschicht 2 als auch die Außenschichten 4a, 4b weisen im Ausführungsbeispiel jeweils drei Lagen 2₁, 2₂, 2₃, 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, 4₅, 4₆, auf, wobei die Anzahl der Lagen auch davon abweichen kann. Zur genaueren Erläuterung wird auf die Ausführungen zu 3 verwiesen, die ein ähnlich aufgebautes Faserverbundwerkstofflaminat 1 zeigt.
Neben dem Aufbau des Faserverbundwerkstofflaminats 1 ist in 11 auch die Spannungsverteilung im Faserverbundwerkstofflaminat 1 bei Belastung der Blattfeder 10 in Pfeilrichtung dargestellt. Hierbei wird deutlich, dass die mit Graphennanopartikeln verstärkten Zwischenschichten 3a, 3b eine hohe Energie aufnehmen können, so dass die Bruchenergie insgesamt erhöht wird.
Bezugszeichenliste

1: Faserverbundwerkstofflaminat
2: Mittelschicht
21, 22, ... 2n: Mittelschichtlage
3, 3a, 3b: Zwischenschicht
4, 4a, 4b: Außenschicht
41, 42, ... 4n: Außenschichtlage
5: Kohlenstofffaser
6: Kunststoffmatrix
7: Glasfaser
8: Graphennanopartikel
9: Faser-Matrix-Halbzeug
10: Blattfeder
S1 bis S3: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10139780 A1 [0005]
DE 102009058170 A1 [0006]
DE 102015122621 A1 [0012]
DE 102017122564 A1 [0013]

Claims

Faserverbundwerkstofflaminat (1), aufweisend eine Mittelschicht (2), eine Zwischenschicht (3, 3a, 3b) und eine auf der der Mittelschicht (2) gegenüberliegenden Seite der Zwischenschicht (3, 3a, 3b) angeordnete Außenschicht (4, 4a, 4b), wobei - die Mittelschicht (2) einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern (5) und einer Kunststoffmatrix (6) aufweist, - die Zwischenschicht (3, 3a, 3b) einen Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern (5) und/oder Glasfasern (7) und eine Graphennanopartikeln (8) aufweisende Kunststoffmatrix (6) aufweist, und - die Außenschicht (4, 4a, 4b) einen Verbundwerkstoff mit Glasfasern (7) und einer Kunststoffmatrix (6) aufweist.
Faserverbundwerkstofflaminat (1) nach Anspruch 1, wobei beidseits der Mittelschicht (2) Zwischenschichten (3a, 3b) angeordnet sind und auf den der Mittelschicht (2) gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichten (3a, 3b) Außenschichten (4a, 4b) angeordnet sind.
Faserverbundwerkstofflaminat (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anteil der Graphennanopartikel (8) in der Graphennanopartikel (8) aufweisenden Kunststoffmatrix (6) zwischen 0,01 Gew.-% und 10 Gew.-% beträgt.
Faserverbundwerkstofflaminat (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kunststoffmatrix (6) ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Epoxidharzmatrices, Vinylestermatrices, Aminoharzmatrices, Phenol-Formaldehydharzmatrices, ungesättige Polyesterharzmatrices und Polyurethanmatrices.
Blattfeder (10) mit einem Faserverbundwerkstofflaminat (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Schraubenfeder mit einem Faserverbundwerkstofflaminat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Fahrzeug mit einer Blattfeder (10) oder einer Schraubenfeder nach Anspruch 5 oder 6.
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstofflaminats (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend: - S1: Herstellen von die Mittelschicht (2), die Zwischenschicht (3, 3a, 3b) und die Außenschicht (4, 4a, 4b) bildenden Faser-Matrix-Halbzeugen (9), - S2: Anordnen des die Zwischenschicht (3, 3a, 3b) bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs (9) auf dem die Mittelschicht (2) bildenden Faser-Matrix-Halbzeug (9) und Anordnen des die Außenschicht (4, 4a, 4b) bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs (9) auf der der Mittelschicht (2) gegenüberliegenden Seite der Zwischenschicht (3, 3a, 3b) und - S3: Aushärten der Faser-Matrix-Halbzeuge (9).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Zwischenschichten (3a, 3b) bildende Faser-Matrix-Halbzeuge (9) beidseits des die Mittelschicht (2) bildenden Faser-Matrix-Halbzeugs (9) angeordnet werden und Außenschichten (4a, 4b) bildende Faser-Matrix-Halbzeuge (9) auf den der Mittelschicht (2) gegenüberliegenden Seiten der Zwischenschichten (3a, 3b) angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Herstellen der die Zwischenschichten (3, 3a, 3b) bildenden Faser-Matrix-Halbzeuge (9) ein Imprägnieren von Kohlenstofffasern (5) und/oder Glasfasern (7) mit einer Graphennanopartikel (8) aufweisenden Kunststoffmatrix (6) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Herstellen der die Zwischenschichten (3, 3a, 3b) bildenden Faser-Matrix-Halbzeuge (9) ein Imprägnieren von Kohlenstofffasern (5) oder Glasfasern (7) mit einer Kunststoffmatrix (6) und ein nachfolgendes Aufsprühen von Graphennanopartikeln (8) aufweist.