DE112022000159T5 - Fastening screws made from a two-dimensional carbon-carbon composite material produced by laminating anisotropic non-woven fabrics - Google Patents
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- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
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- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
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Abstract
Die Erfindung stellt eine Befestigungsschraube aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bereit, der hergestellt wird durch Laminieren von kurze Kohlenstofffasern verwendenden anisotropen Vliesstoffen, wobei die Richtung der Mittelachse der Befestigungsschraube so ausgerichtet ist, dass diese Richtung der Y-Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit einer anisotropen Eigenschaft entspricht.The invention provides a fastening screw made of a two-dimensional carbon-carbon composite material prepared by laminating short carbon fibers using anisotropic non-woven fabrics, wherein the direction of the central axis of the fastening screw is aligned so that this direction of the Y-direction of the two-dimensional carbon-carbon -composite material with an anisotropic property.
Description
Gebiet der Erfindungfield of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Befestigungsschrauben aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, der durch Laminieren von anisotropen Vliesstoffen hergestellt wird.The present invention relates to two-dimensional carbon-carbon composite fastening screws made by laminating anisotropic non-woven fabrics.
Technischer Hintergrund der ErfindungTechnical background of the invention
Da ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff (vereinfacht als „C/C-Verbundwerkstoff“ oder „C/C-Werkstoff“ bezeichnet) eine Festigkeit und einen Modul aufweist, die bzw. der um ein Mehrfaches höher sind als die eines herkömmlichen Kohlenstoff- oder Graphitwerkstoffs, und darüber hinaus ein geringeres Gewicht als der Kohlenstoff- oder Graphitwerkstoff hat und in Bezug auf Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit überlegen ist, wurde es als Material für die Düse eines Feststofftriebwerks, für den Nasenkonus einer ICBM und für den Nasenkonus und die Vorderkante der Tragflächen des Space Shuttle verwendet.Since a carbon-carbon composite (referred to simply as “C/C composite” or “C/C material”) has a strength and modulus several times higher than that of a conventional carbon or Graphite material, and moreover is lighter in weight than the carbon or graphite material and superior in heat resistance, wear resistance, toughness and thermal conductivity, it has been used as a material for the nozzle of a solid fuel engine, for the nose cone of an ICBM, and for the nose cone and the Leading edge of Space Shuttle wings used.
Wie bereits erwähnt, wurde der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften in Bremsen von Flugzeugen, Rennwagen, dem Shinkansen-Hochgeschwindigkeitszug und Großraum- und Schwerlastfahrzeugen, Strukturelementen, Wannen und Heizelementen in Wärmebehandlungsöfen, Gabeln für die Handhabung von Produkten in Öfen zur Herstellung von Halbleitern und Solarzellen sowie Vorrichtungen für die Metallverarbeitung in Hochtemperaturumgebungen verwendet. Der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff ist sehr beliebt und wird in der Regel in industriellen Bereichen verwendet.As mentioned earlier, due to its excellent properties, the carbon-carbon composite material has been used in brakes of airplanes, racing cars, the Shinkansen bullet train and wide-body and heavy-duty vehicles, structural members, pans and heating elements in heat treatment furnaces, forks for handling products in manufacturing furnaces semiconductors and solar cells, and metal processing devices in high-temperature environments. The carbon-carbon composite material is very popular and is usually used in industrial fields.
Wie vorstehend erwähnt, ist es bei der allgemeinen Verwendung des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs in industriellen Bereichen erforderlich, Verbindungselemente mit Gewinde zum Verbinden von Teilen aus dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff oder zum Verbinden eines Teils aus dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff mit einem anderen Teil aus einem anderen Material als dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff zu verwenden.As mentioned above, with the general use of the carbon-carbon composite in industrial fields, it is necessary to have threaded fasteners for connecting carbon-carbon composite parts or for connecting one carbon-carbon composite part to another To use a part made of a material other than carbon-carbon composite.
In Hochtemperaturumgebungen, in denen Teile aus dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff angewandt werden, gibt es selbst bei Verwendung von Befestigungsschrauben aus hitzebeständigem Stahl Probleme dahingehend, dass keine ausreichende Festigkeit erreicht werden kann oder dass aufgrund des Phänomens, das durch Hochtemperaturkriechen verursacht wird, keine ausreichende Haltbarkeit erreicht werden kann. Um solche Teile zu verbinden, wurden daher Befestigungsschrauben aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff verwendet (siehe Patentdokument 1).In high-temperature environments where carbon-carbon composite parts are applied, even if heat-resistant steel fastening bolts are used, there are problems that sufficient strength cannot be obtained or insufficient strength due to the phenomenon caused by high-temperature creep durability can be achieved. Therefore, in order to connect such parts, fastening bolts made of carbon-carbon composite material have been used (see Patent Document 1).
Die aus einem 2D (zweidimensionalen) Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Befestigungsschrauben, die im Patentdokument 1 offenbart sind, werden durch die folgenden Verfahren hergestellt (siehe Absätze [0019] und [0020] des Patentdokuments 1):
- (1) Herstellen eines Prepregs durch Auftragen eines Phenolharzes auf ein Flachgewebe unter Verwendung von Kohlenstofffaser-Spinnfäden oder Kohlenstofffaser-Filamenten, und Schneiden des Prepregs mit vorbestimmten Abmessungen
- (2) Laminieren mehrerer der Prepregs und Formen bei 160°C durch eine Heißpresse, um eine Dicke von 20 mm zu erhalten
- (3) Durchführung der Wärmebehandlung (Karbonisierung) durch Erhitzen des geformten Körpers auf 800°C
- (4) mehrmaliges Wiederholen einer Tränkungsimprägnierung und der Wärmebehandlung und Durchführen der Wärmebehandlung (Graphitierung) durch Erhitzen auf 2.000°C als letzte Wärmebehandlung, um Platten aus dem 2D-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial zu erhalten
- (5) Herstellung von Vollgewindebolzen durch Bearbeitung der Platten aus dem 2D-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
- (6) In diesem Fall wird der Bolzen so bearbeitet, dass die Richtung der Mittelachse des Bolzens der Kett- oder Schussrichtung des Flachgewebes entspricht (siehe
1 des Patentdokuments 1).
- (1) Preparing a prepreg by applying a phenolic resin to a flat fabric using carbon fiber strands or carbon fiber filaments, and cutting the prepreg to predetermined dimensions
- (2) Laminating a plurality of the prepregs and molds at 160°C by a hot press to have a thickness of 20mm
- (3) Conducting heat treatment (carburization) by heating the molded body to 800°C
- (4) Repeating soaking impregnation and the heat treatment a number of times, and performing heat treatment (graphitization) by heating at 2,000°C as the final heat treatment to obtain 2D carbon-carbon composite material sheets
- (5) Manufacture of fully threaded bolts by machining the plates of the 2D carbon-carbon composite
- (6) In this case, the bolt is processed so that the direction of the central axis of the bolt corresponds to the warp or weft direction of the flat weave (see
1 of patent document 1).
Was die aus dem 2D-(zweidimensionalen) Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff durch die oben erläuterten Herstellungsverfahren hergestellten Befestigungsschrauben betrifft, so werden die Bolzen aus den Platten des 2D-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs, die mit den Kohlenstofffasern auf die Flachgewebe laminiert sind, so bearbeitet, dass die Richtung der Mittelachse des Bolzens einer Kett- oder Schussrichtung der Flachgewebe entspricht. Dadurch weist der Bolzen die Eigenschaften auf, dass die mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit und Elastizitätsmodul, und die thermischen Eigenschaften, wie der Wärmeausdehnungskoeffizient, in Richtung der Mittelachse des Bolzens die gleichen sind wie in der Richtung senkrecht zur Mittelachse des Bolzens und parallel zur Laminierungsebene der Flachgewebe.As for the fastening bolts made of the 2D (two-dimensional) carbon-carbon composite material by the manufacturing methods explained above, the bolts are made of the plates of the 2D carbon-carbon composite material laminated with the carbon fibers on the flat fabrics, so machined so that the direction of the central axis of the bolt corresponds to a warp or weft direction of the flat weaves. As a result, the pin has the properties that the mechanical properties, such as strength and Young's modulus, and the thermal properties, such as thermal expansion coefficient, in the direction of the center axis of the pin are the same as in the direction perpendicular to the center axis of the pin and parallel to the lamination plane of the flat weave.
Stand der TechnikState of the art
Patentschriftpatent specification
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
Zusammenfassung der ErfindungenSummary of Inventions
Durch die Erfindungen zu lösende ProblemeProblems to be solved by the inventions
Bei den aus dem oben erläuterten zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Befestigungsschrauben besteht jedoch das Problem, dass die Kohlenstofffasern nicht genügend zur Biegefestigkeit der Stege der Befestigungsschrauben beitragen, so dass die Bolzen (die Befestigungsschrauben) keine ausreichende Festigkeit haben können.However, the fastening bolts made of the above two-dimensional carbon-carbon composite material have a problem that the carbon fibers do not sufficiently contribute to the flexural strength of the webs of the fastening bolts, so that the bolts (the fastening bolts) cannot have sufficient strength.
Da der Wärmeausdehnungskoeffizient der Kohlenstofffasern in Faserrichtung negativ ist, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs im Vergleich zu dem von Graphit oder hitzebeständigem Stahl extrem klein. Darüber hinaus hat der Wärmeausdehnungskoeffizient des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials eine anisotrope Eigenschaft, die von einem Orientierungsverhältnis der Kohlenstofffasern abhängt, und der Wärmeausdehnungskoeffizient in Richtung eines hohen Orientierungsverhältnisses ist kleiner als der in Richtung eines niedrigen Orientierungsverhältnisses.Since the coefficient of thermal expansion of carbon fibers is negative in the fiber direction, the coefficient of thermal expansion of the carbon-carbon composite is extremely small compared to that of graphite or heat-resistant steel. In addition, the coefficient of thermal expansion of the carbon-carbon composite material has an anisotropic property depending on an orientation ratio of carbon fibers, and the coefficient of thermal expansion in a high orientation ratio direction is smaller than that in a low orientation ratio direction.
Wenn die Teile, die aus anderen Materialien als dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt sind, z.B. das Graphit oder der hitzebeständige Stahl, durch die aus dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Befestigungsschrauben verbunden sind, in einer rauen Umgebung mit einer großen Temperaturänderung und einer hohen Temperatur, wenn die aus dem oben erläuterten zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Befestigungsschrauben verwendet werden, da der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien, wie Graphit oder hitzebeständigem Stahl, und dem in axialer Richtung der aus dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Befestigungsschrauben groß ist, kommt es zu Problemen, wie zum Beispiel, dass die Befestigungsschrauben durch die übermäßige thermische Spannung, die in den Befestigungsschrauben verursacht wird, beschädigt werden oder die Befestigungsschrauben sich an der Befestigungsstelle durch eine große Änderung der Umgebungstemperatur lösen.When the parts made of materials other than the carbon-carbon composite, such as the graphite or the heat-resistant steel, are connected by the fastening bolts made of the carbon-carbon composite, in a harsh environment with a large temperature change and a high temperature when the fastening bolts made of the above two-dimensional carbon-carbon composite material are used because of the difference between the coefficient of thermal expansion of the materials such as graphite or heat-resistant steel and that in the axial direction of the fastening bolts made of the carbon-carbon composite material is large, there arise problems such as the mounting bolts being damaged by the excessive thermal stress caused in the mounting bolts or the mounting bolts loosening at the mounting position by a large change in ambient temperature.
Da bei den oben erläuterten aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellten Befestigungsschrauben das zweidimensionale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial aus einem Flachgewebe aus Kohlenstofffaser-Spinnfäden oder Kohlenstofffaser-Filamenten hergestellt wird, erhöhen sich ferner die Herstellungskosten des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials. Infolgedessen besteht das Problem, dass die Herstellungskosten der aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellten Befestigungsschrauben ebenfalls steigen.Furthermore, in the above fastening screws made of the two-dimensional carbon-carbon composite material, since the two-dimensional carbon-carbon composite material is made of a flat weave of carbon fiber strands or carbon fiber filaments, the manufacturing cost of the two-dimensional carbon-carbon composite material increases. As a result, there is a problem that the manufacturing cost of the fastening bolts made of the two-dimensional carbon-carbon composite material also increases.
Die vorliegenden Erfindungen wurden vor dem Hintergrund des oben beschriebenen technischen Hintergrunds gemacht, und die durch die vorliegenden Erfindungen zu lösende Aufgabe besteht darin, aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellte Befestigungsschrauben bereitzustellen, die eine hohe Festigkeit aufweisen, indem der Grad des Beitrags der Kohlenstofffasern zur Festigkeit der Befestigungsschrauben erhöht wird. Ferner ist die durch die vorliegende Erfindung zu lösende Aufgabe die Bereitstellung von Befestigungsschrauben, die aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt sind, der die Beschädigung der Befestigungsschrauben, die aus dem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt sind, verhindern kann, indem die thermische Belastung, die durch die große Temperaturänderung in der Umgebung verursacht wird, in der die Befestigungsschrauben verwendet werden, reduziert wird, und der das Lösen an der Befestigungsstelle reduzieren kann.The present inventions have been made against the background of the technical background described above, and the problem to be solved by the present inventions is to provide fastening screws made of a two-dimensional carbon-carbon composite material which have high strength by reducing the degree of contribution of the Carbon fibers to increase the strength of the mounting screws. Further, the problem to be solved by the present invention is to provide fastening bolts made of a two-dimensional carbon-carbon composite material, which can prevent the damage of the fastening bolts made of the carbon-carbon composite material by the thermal Stress caused by the large temperature change in the environment where the fixing screws are used is reduced, and which can reduce loosening at the fixing point.
Ferner besteht die durch die vorliegende Erfindung zu lösende Aufgabe darin, die aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellten Befestigungsschrauben mit den oben beschriebenen Eigenschaften zu geringen Kosten bereitzustellen.Further, the problem to be solved by the present invention is to provide the fastening bolts made of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the characteristics described above at a low cost.
Mittel zur Lösung der Problememeans of solving the problems
Um die oben erläuterten Probleme zu lösen, betrifft sich der erste Aspekt der Erfindung eine Befestigungsschraube, die aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellt ist, welches durch Laminieren eines anisotropen Vlieses unter Verwendung von kurzen Kohlenstofffasern hergestellt wird,
wobei die Richtung der Mittelachse der Befestigungsschraube so ausgerichtet ist, dass die Richtung der Y-Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit der anisotropen Eigenschaft entspricht,
wobei das zweidimensionale Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial durch Laminieren hergestellt wird, so dass die „Hauptorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe in einer Richtung ausgerichtet sind, und die Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials, die der „Hauptorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe entspricht, als X-Richtung definiert ist, und die Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials, die der „Nebenorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe entspricht, als Y-Richtung definiert ist,
wobei die Richtung der anisotropen Vliesstoffe, in der die große Anzahl der kurzen Kohlenstofffasern orientiert ist, als eine „Hauptorientierungsrichtung“ definiert ist und die Richtung der anisotropen Vliesstoffe, in der die kleine Anzahl der kurzen Kohlenstofffasern orientiert ist, als eine „Nebenorientierungsrichtung“ definiert ist.In order to solve the above problems, the first aspect of the invention relates to a fastening screw made of a two-dimensional carbon-carbon composite material made by laminating anisotropic non-woven fabric using short carbon fibers,
wherein the direction of the central axis of the fixing screw is aligned so that the direction corresponds to the Y-direction of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the anisotropic property,
wherein the two-dimensional carbon-carbon composite material is made by laminating so that the "main orientation direction" of the anisotropic nonwoven fabrics are aligned in one direction, and the direction of the two-dimensional carbon-carbon composite material corresponding to the "main orientation direction" of the anisotropic nonwoven fabrics as is defined as the X direction, and the direction of the two-dimensional carbon-carbon composite material, which corresponds to the “sub-orientation direction” of the anisotropic nonwoven fabrics, is defined as the Y direction,
wherein the direction of the anisotropic non-woven fabrics in which the large number of short carbon fibers are oriented is defined as a "major orientation direction" and the direction of the anisotropic non-woven fabrics in which the small number of short carbon fibers are oriented is defined as a "sub-orientation direction". .
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ferner die Befestigungsschraube gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung,
wobei ein Verhältnis der Biegefestigkeit in der X-Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit der anisotropen Charakteristik zu der Biegefestigkeit in der Y-Richtung des die folgende Formel erfüllt:
wherein a ratio of the flexural strength in the X direction of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the anisotropic characteristic to the flexural strength in the Y direction satisfies the following formula:
Ferner betrifft der dritte Aspekt der Erfindung die Befestigungsschraube gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der Erfindung,
wobei ein Verhältnis des Zugmoduls der Elastizität in X-Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs mit der anisotropen Charakteristik zu dem Zugmodul der Elastizität in Y-Richtung des Verbundwerkstoffs die folgende Formel erfüllt:
wherein a ratio of the X-directional tensile modulus of elasticity of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the anisotropic characteristic to the Y-directional tensile modulus of elasticity of the composite material satisfies the following formula:
Ferner betrifft der vierte Aspekt der Erfindung die Befestigungsschraube nach einem der ersten bis dritten Aspekte der Erfindung,
wobei ein Verhältnis des thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der X-Richtung des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit der anisotropen Charakteristik zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Y-Richtung, der die folgende Formel erfüllt:
wherein a ratio of the thermal expansion coefficient in the X direction of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the anisotropic characteristic to the thermal expansion coefficient in the Y direction that satisfies the following formula:
Wirkungen der ErfindungEffects of the invention
In der vorliegenden Erfindung, da die Befestigungsschrauben aus den Platten aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff durch Laminieren der anisotropen Vliese unter Verwendung der kurzen Kohlenstofffasern hergestellt werden, ist es möglich, die Befestigungsschrauben aus dem 2D (zweidimensionalen) Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff zu niedrigeren Kosten als durch Laminieren der die Kohlenstofffaser-Spinnfäden oder die Kohlenstofffaser-Filamente verwendenden herkömmlichen Flachgewebe herzustellen.In the present invention, since the fastening bolts are made of the two-dimensional carbon-carbon composite plates by laminating the anisotropic mats using the short carbon fibers, it is possible to make the fastening bolts of the 2D (two-dimensional) carbon-carbon composite material lower cost than by laminating the conventional flat fabrics using the carbon fiber strands or the carbon fiber filaments.
Da bei den erfindungsgemäßen Befestigungsschrauben die Richtung der Mittelachse der Befestigungsschrauben so ausgerichtet ist, dass diese Richtung der Y-Richtung (in der eine kleine Anzahl von kurzen Kohlenstofffasern ausgerichtet ist) des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit der anisotropen Eigenschaft entspricht, ist es möglich, den Grad des Beitrags der Kohlenstofffasern zur Biegefestigkeit der Stege zu erhöhen, und folglich kann die Festigkeit der Bolzen (der Befestigungsschrauben) verbessert werden.In the fastening screws of the present invention, since the direction of the central axis of the fastening screws is oriented so that this direction corresponds to the Y direction (in which a small number of short zen carbon fibers) of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the anisotropic property, it is possible to increase the degree of contribution of the carbon fibers to the bending strength of the webs, and consequently the strength of the bolts (the fastening screws) can be improved.
Da in den erfindungsgemäßen Befestigungsschrauben die Richtung der Mittelachse der Befestigungsschrauben so ausgerichtet ist, dass sie der Y-Richtung (in der die wenigen kurzen Kohlenstofffasern ausgerichtet sind) des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit der anisotropen Eigenschaft entspricht, ist es möglich, aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial hergestellte Befestigungsschrauben bereitzustellen, die die Beschädigung an den Befestigungspunkten durch die Befestigungsschrauben verhindern können, indem sie die thermische Belastung reduzieren, die durch die große Temperaturänderung in der Umgebung verursacht wird, in der die Befestigungsschrauben verwendet werden, und die das Lösen an dem Befestigungspunkt reduzieren können.In the fastening screws of the present invention, since the direction of the central axis of the fastening screws is oriented to correspond to the Y-direction (in which the few short carbon fibers are oriented) of the two-dimensional carbon-carbon composite material having the anisotropic property, it is possible to to provide fastening bolts made of two-dimensional carbon-carbon composite material, which can prevent the damage at the fastening points by the fastening bolts by reducing the thermal stress caused by the large temperature change in the environment where the fastening bolts are used and which the Loosening at the attachment point can reduce.
Figurenlistecharacter list
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1 ]1 zeigt ein Flussdiagramm, das Verfahren zur Herstellung anisotroper Vliesstoffe unter Verwendung kurzer Kohlenstofffasern zeigt, indem das Orientierungsverhältnis der Fasern entsprechend der Richtung in der Ebene der Vliesstoffe absichtlich geändert wird.[1 ]1 Fig. 12 is a flow chart showing methods for producing anisotropic nonwoven fabrics using short carbon fibers by intentionally changing the orientation ratio of the fibers according to the in-plane direction of the nonwoven fabrics. -
[
2 ]2 zeigt ein Flussdiagramm, das Verfahren zur Herstellung eines laminierten Körpers aus einem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial unter Verwendung der anisotropen Vliese darstellt.[2 ]2 Fig. 12 is a flow chart showing processes for manufacturing a laminated body of a two-dimensional carbon-carbon composite material using the anisotropic nonwoven fabrics. -
[
3 ]3 zeigt den laminierten Körper des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials, der durch Laminieren der anisotropen Vliesstoffe unter Verwendung der kurzen Kohlenstofffasern und eines Bolzens (eines Vollgewindebolzens) hergestellt wurde, der durch Ausschneiden aus dem laminierten Körper und durch spanende Bearbeitung hergestellt wurde.[3 ]3 Fig. 12 shows the laminated body of the two-dimensional carbon-carbon composite material made by laminating the anisotropic nonwoven fabrics using the short carbon fibers and a bolt (a fully threaded bolt) made by cutting out the laminated body and machining. -
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4 ]4 zeigt den Querschnitt senkrecht zur Mittelachse (den in5 gezeigten Querschnitt B-B) des Bolzens (des Vollgewindebolzens) aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, der durch Laminieren der in3 gezeigten anisotropen Vliesstoffe hergestellt wurde.[4 ]4 shows the cross-section perpendicular to the central axis (the in5 shown cross section BB) of the bolt (the fully threaded bolt) made of the two-dimensional carbon-carbon composite material, which is obtained by laminating the in3 shown anisotropic nonwovens was produced. -
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5 ]5 zeigt den in4 gezeigten Querschnitt A-A (der Querschnitt entlang der Mittelachse des Bolzens) des Bolzens (des Vollgewindebolzens), der aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff hergestellt ist, der durch Laminieren der anisotropen Vliese hergestellt wurde.[5 ]5 shows the in4 AA cross-section shown (the cross-section along the center axis of the bolt) of the bolt (the fully threaded bolt) made of the two-dimensional carbon-carbon composite material made by laminating the anisotropic nonwoven fabrics. -
[
6 ]6 zeigt die Vorrichtung für die Prüfung der thermischen Belastbarkeit des Bolzens (des Vollgewindebolzens).[6 ]6 shows the device for testing the thermal load capacity of the bolt (the fully threaded bolt).
Detaillierte Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments
Im Folgenden werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen anhand der Figuren erläutert. Die hier erläuterten Ausführungsformen veranschaulichen lediglich die vorliegenden Erfindungen und schränken den Umfang der vorliegenden Erfindungen nicht ein.The embodiments of the present invention are explained below with reference to the figures. The embodiments discussed herein are merely illustrative of the present inventions and do not limit the scope of the present inventions.
Zunächst werden die Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen anisotropen Vliesstoffe unter Verwendung der kurzen Kohlenstofffasern erläutert.First, the methods for producing the anisotropic nonwoven fabrics of the present invention using the short carbon fibers will be explained.
Die Verfahren zur Herstellung von anisotropen Vliesstoffen unter Verwendung der kurzen Kohlenstofffasern umfassen die folgenden Schritte:
Schritt 11 zur Herstellung einer gemischten Lösung (eine dispergierende Flüssigkeit, die die Kohlenstofffasern enthält);Schritt 12 zur Bildung einer Bahn durch Gießen der gemischten Lösung auf ein Netz eines Maschenförderers; undSchritt 13 zum Trocknen der die Kohlenstofffasern verwendenden Bahn.
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Step 11 of preparing a mixed solution (a dispersing liquid containing the carbon fibers); -
step 12 of forming a web by pouring the mixed solution onto a net of a mesh conveyor; and -
Step 13 of drying the web using the carbon fibers.
Übrigens enthält die Dispersionsflüssigkeit ein Bindemittel, um die Kohlenstofffasern beim Trocknen der die Kohlenstofffasern verwendenden Bahn zu binden.Incidentally, the dispersion liquid contains a binder to bind the carbon fibers in drying the web using the carbon fibers.
Schritt 11 zur Herstellung einer gemischten Lösung (eine Dispersionsflüssigkeit, die die Kohlenstofffasern enthält) wird im Folgenden erläutert.
Als Kohlenstofffasern, die in den vorliegenden Erfindungen verwendet werden, können Kohlenstofffasern auf Polyacrylnitrilbasis (PAN-Basis) und Kohlenstofffasern auf Pechbasis verwendet werden, und alle Arten von Fasern, die mit Flammschutz, Karbonisierung und Graphitierung behandelt wurden, können verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung werden kurze Kohlenstofffasern verwendet, wobei Kohlenstofffasern mit einer Länge von 1 - 50 mm bevorzugt werden. Die Kohlenstofffasern mit einer Länge von 1 - 25 mm sind noch bevorzugter. Die Länge der Kohlenstofffasern ist jedoch nicht auf diese beschränkt.As carbon fibers used in the present invention, polyacrylonitrile-based (PAN-based) carbon fibers and pitch-based carbon fibers can be used, and all kinds of fibers treated with flame retardancy, carbonization and graphitization can be used. Short carbon fibers are used in the present invention, with carbon fibers having a length of 1 - 50 mm being preferred. The carbon fibers with a length of 1 - 25 mm are more preferable. However, the length of the carbon fibers is not limited to these.
Ferner können Kohlenstofffasern, die durch Mischen der PAN-basierten Kohlenstofffasern mit den Pech-basierten Kohlenstofffasern in einem vorbestimmten Verhältnis hergestellt werden, verwendet werden, und Kohlenstofffasern, die durch Kombination der Kohlenstofffasern hergestellt werden, die durch die Flammschutzbehandlung, die Karbonisierung und die Graphitierungsbehandlung behandelt wurden, können verwendet werden.Further, carbon fibers made by mixing the PAN-based carbon fibers with the pitch-based carbon fibers in a predetermined ratio can be used, and carbon fibers made by combining the carbon fibers treated by the flame retardant treatment, the carbonization, and the graphitization treatment were, can be used.
Bei handelsüblichen Kohlenstofffasern wird eine Oberflächenoxidationsbehandlung, wie z.B. eine Oberflächenbehandlung durch ein elektrisches Feld, auf die Oberfläche der Kohlenstofffasern aufgebracht, um die Adhäsionseigenschaft zwischen den Kohlenstofffasern und einem Matrixharz bei der Bildung eines Verbundmaterials zu verbessern. Ferner wird ein Leimungsmittel mit Epoxidgruppen, Hydroxylgruppen, Acrylatgruppen, Methacrylatgruppen, Carboxylgruppen oder Carbonsäureanhydridgruppen auf die Oberfläche der Kohlenstofffasern aufgebracht, um die Kohlenstofffasern zu Kohlenstofffaserbündeln zusammenzubinden.In commercial carbon fibers, a surface oxidation treatment such as an electric field surface treatment is applied to the surface of the carbon fibers in order to improve the adhesive property between the carbon fibers and a matrix resin in forming a composite material. Further, a sizing agent having epoxy group, hydroxyl group, acrylate group, methacrylate group, carboxyl group or carboxylic acid anhydride group is applied to the surface of the carbon fibers to bind the carbon fibers into carbon fiber bundles.
Bei den in den vorliegenden Erfindungen angewandten Kohlenstofffasern können die oben erläuterten Oberflächenbehandlungen oder Leimungsmittel auf die Fasern aufgebracht werden. Die Kohlenstofffasern können auch so verwendet werden, dass die Wirkungen der Oberflächenbehandlungen oder der Leimungsmittel eliminiert werden.In the case of the carbon fibers used in the present invention, the surface treatments or sizing agents explained above may be applied to the fibers. The carbon fibers can also be used in such a way that the effects of surface treatments or sizing agents are eliminated.
Der Gewichtsanteil des in den erfindungsgemäßen Vliesen verwendeten Bindemittels beträgt beispielsweise 5 - 30 Gewichts-%, wobei das Mittel zum Aneinanderbinden der kurzen Kohlenstofffasern eingesetzt wird.The proportion by weight of the binder used in the webs of the present invention is, for example, 5-30% by weight using the agent for binding the short carbon fibers together.
Als solche Bindemittel können Carboxymethyl-Cellulose (CMC), wasserlösliches Polyacrylharz, Natriumpolyacrylat, Polyacrylamid, Polyvinylalkohol, Polyester, Natriumalginat, Dextrin, Gelatine, Polyvinylalkohol, etc. verwendet werden.As such binders, carboxymethyl cellulose (CMC), water-soluble polyacrylic resin, sodium polyacrylate, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, polyester, sodium alginate, dextrin, gelatin, polyvinyl alcohol, etc. can be used.
Diese Bindemittel werden durch Erhitzen bei hoher Temperatur (z. B. Verkohlung bei mehr als 400°C) zersetzt und in kohlenstoffhaltiges Material umgewandelt. Die Umwandlungseffizienz von den Bindemitteln in das kohlenstoffhaltige Material ist gering. Da das erzeugte kohlenstoffhaltige Material jedoch homogen um jede geöffnete Kohlenstofffaser herum verteilt ist und die Kohlenstofffasern zusammenbindet, bleibt die Form des Ausgangsmaterials auch nach der Karbonisierung definitiv erhalten.These binders are decomposed and converted into carbonaceous material by heating at high temperature (e.g. carbonization at more than 400°C). The conversion efficiency from the binders to the carbonaceous material is low. However, since the generated carbonaceous material is distributed homogeneously around each opened carbon fiber and binds the carbon fibers together, the shape of the starting material is definitely maintained even after carbonization.
Da die meisten Bindemittel während der Karbonisierungsbehandlung vergast und verstreut werden, liegt das kohlenstoffhaltige Material, das das Karbonisierungsprodukt des Bindemittels ist, um die Kohlenstofffasern herum vor, wobei es viele Hohlräume aufweist und porös ist.Since most of the binders are gasified and scattered during the carbonization treatment, the carbonaceous material which is the carbonization product of the binder exists around the carbon fibers, having many voids and being porous.
Bei der Herstellung der gemischten Lösung werden die geöffneten (kurzen) Kohlenstofffasern und die Dispersionsflüssigkeit, die aus dem Bindemittel und Wasser oder einem organischen Lösungsmittel, wie z. B. Alkohol, besteht, in einem bestimmten Verhältnis in einen Behälter gegeben und dann gerührt. Auf diese Weise entsteht eine gemischte Lösung, in der die Kohlenstofffasern homogen verteilt sind.In the preparation of the mixed solution, the opened (short) carbon fibers and the dispersion liquid composed of the binder and water or an organic solvent such as e.g. B. alcohol, is placed in a certain ratio in a container and then stirred. This creates a mixed solution in which the carbon fibers are homogeneously distributed.
Um die Kohlenstofffasern in der gemischten Lösung homogen zu verteilen, ist es möglich, einen Ultraschallwandler an einer Wand des Tanks zu installieren und die gemischte Lösung in Schwingungen zu versetzen.In order to homogeneously disperse the carbon fibers in the mixed solution, it is possible to install an ultrasonic transducer on a wall of the tank and vibrate the mixed solution.
In Schritt 12 zur Bildung von Bahnen durch Gießen der gemischten Lösung auf das Netz des Maschenförderers wird die in Schritt 11 hergestellte gemischte Lösung (die Dispergierflüssigkeit, die die Kohlenstofffasern enthält) aus dem Behälter durch Aufbringen von Druck in eine Papierherstellungsvorrichtung überführt, und die Vliese werden hergestellt. Als Papierherstellungsvorrichtung können eine Langsiebmaschine, eine Zylindermaschine, eine Yankee-Maschine, eine Doppelsiebmaschine und andere Arten von Papiermaschinen verwendet werden. Nachfolgend werden die Verfahren zur Bahnbildung unter Verwendung der Langsiebmaschine erläutert.In
Bei den Verfahren zur Bahnbildung unter Verwendung der Langsiebmaschine wird die gemischte Lösung, in der die Kohlenstofffasern homogen verteilt sind, aus dem Behälter durch Druckbeaufschlagung in eine Zuführvorrichtung geführt. Die Zuführungsvorrichtung kann eine dünne, homogene und flache Bahn auf dem Netz bilden, da nur die dispergierende Flüssigkeit durch das Netz des Maschenförderers fällt, wenn die gemischte Lösung auf das Netz gegossen wird. So werden in Schritt 12 im Allgemeinen die (kurzen) Kohlenstofffasern in zufälligen Richtungen ausgerichtet und ineinander verschlungen, und es wird eine kontinuierliche Bahn aus Kohlenstofffasern mit dem Bindemittel und dem Rest der Dispersionsflüssigkeit um die Kohlenstofffasern herum gebildet. In diesem Schritt fällt die dispergierende Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft durch das Netz und der größte Teil der dispergierenden Flüssigkeit fällt ab.In the web forming methods using the Fourdrinier machine, the mixed solution in which the carbon fibers are homogeneously dispersed is fed from the tank into a feeder by pressurization. The feeding device can form a thin, homogeneous and flat sheet on the net because only the dispersing liquid falls through the net of the mesh conveyor when the mixed solution is poured onto the net. Thus, in general, in
Ferner ist es möglich, die Endlosbahn, die die restliche Dispersionsflüssigkeit enthält, zu pressen, um die Dispersionsflüssigkeit durch verschiedene Methoden zu entfernen, nachdem die Bahn durch Gießen der gemischten Lösung auf das Netz des Maschenförderers gebildet wurde.Further, it is possible to press the endless web containing the residual dispersion liquid to remove the dispersion liquid by various methods after the web is formed by pouring the mixed solution onto the net of the mesh conveyor.
Als nächstes wird Schritt 13 zum Trocknen der die Kohlenstofffasern verwendenden Bahn erläutert. Bei der die Kohlenstofffasern verwendenden Bahn, die durch Schritt 12 zum Bilden der Bahn durch Gießen der gemischten Lösung auf das Netz des Maschenförderers gebildet wird, wird, da die Dispersionsflüssigkeit nicht vollständig entfernt wird, der Rest der Dispersionsflüssigkeit durch verschiedene Methoden weiter entfernt. Zum Beispiel ist es möglich, die nasse Endlosbahn, die die Dispersionsflüssigkeit enthält, zu trocknen, indem man sie gegen eine mit Dampf beheizte Stahltrommel (einen Zylinder) drückt.Next, step 13 for drying the web using the carbon fibers will be explained. In the web using the carbon fibers formed by the
Durch die oben erläuterten Schritte ist die Endlosbahn, die die (kurzen) Kohlenstofffasern verwendet, fertiggestellt. In der herkömmlichen Endlosbahn, die die Kohlenstofffasern verwendet und durch diese Schritte hergestellt wird, sind die (kurzen) Kohlenstofffasern in zufälligen Richtungen ausgerichtet und miteinander verflochten, und die Bindemittel sind um die Kohlenstofffasern herum angeordnet. Darüber hinaus haben die Vliesstoffe im Zustand der Endlosbahn eine vorbestimmte Klebrigkeit aufgrund der verbliebenen Bindemittel. Nach dem Durchlaufen der Papierherstellungsvorrichtung werden die Vliesstoffe im Zustand der Endlosbahn, die wie oben beschrieben hergestellt wurde, als Rolle aufgewickelt oder auf eine geeignete Größe geschnitten, so dass ein Trennpapier zwischen die Vliesstoffe eingefügt werden kann, falls erforderlich. Dann werden die Vliesstoffe fertiggestellt.Through the steps explained above, the endless web using the (short) carbon fibers is completed. In the conventional endless web using the carbon fibers and manufactured through these steps, the carbon fibers (short) are aligned in random directions and intertwined with each other, and the binders are arranged around the carbon fibers. In addition, the nonwoven fabrics in the continuous web state have a predetermined tackiness due to the remaining binders. After passing through the paper machine, the non-woven fabrics are wound up in a roll or cut into a suitable size in the state of the continuous sheet produced as described above, so that a release paper can be interposed between the non-woven fabrics, if necessary. Then the non-woven fabrics are finished.
In den konventionellen Vliesstoffen, bei denen die Kohlenstofffasern, wie oben beschrieben, verwendet werden, sind die kurzen Kohlenstofffasern in der zweidimensionalen Ebene (in der Ebene der Vliesstoffe) in zufälligen Richtungen ausgerichtet, so dass die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Vliesstoffe aus Kohlenstofffasern in der Ebene der Vliesstoffe keine anisotropen Eigenschaften haben, sondern isotrope Eigenschaften. Es ist jedoch möglich, die Vliesstoffe unter Verwendung der Kohlenstofffasern und mit anisotropen Eigenschaften herzustellen, indem die Prozesse der Vliesstoffe gesteuert werden.In the conventional nonwoven fabrics using the carbon fibers as described above, the short carbon fibers are aligned in random directions in the two-dimensional plane (in the plane of the nonwoven fabrics), so that the mechanical and thermal properties of the carbon fiber nonwoven fabrics in the Level of nonwovens do not have anisotropic properties, but isotropic properties. However, it is possible to produce the non-woven fabrics using the carbon fibers and having anisotropic properties by controlling the processes of the non-woven fabrics.
Die Vliesstoffe, die für den zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff der Erfindung verwendet werden, werden nach dem folgenden Verfahren hergestellt. Die herkömmlichen Vliesstoffe werden nämlich so hergestellt, dass eine große Anzahl von kurzen Kohlenstofffasern ungleichmäßig in einer Papierherstellungsrichtung (der Bewegungsrichtung des Netzes der Papierherstellungsvorrichtung) ausgerichtet wird, indem die vertikale Fallgeschwindigkeit der gemischten Lösung VL in Richtung der Oberfläche des Netzes und die Geschwindigkeit des Netzes VP in Schritt 12 zur Bildung der Bahn durch Gießen der gemischten Lösung auf das Netz des Maschenförderers gesteuert wird. In dieser Beschreibung werden die Vliesstoffe, in denen eine große Anzahl von Kohlenstofffasern absichtlich und ungleichmäßig in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist, als „Kohlenstofffasern verwendende anisotrope Vliesstoffe" oder einfach als „anisotrope Vliesstoffe“ bezeichnet.The non-woven fabrics used for the two-dimensional carbon-carbon composite of the invention are produced by the following method. Namely, the conventional non-woven fabrics are made such that a large number of short carbon fibers are unequally aligned in a papermaking direction (the moving direction of the web of the papermaking apparatus) by adjusting the vertical falling speed of the mixed solution V L toward the surface of the web and the speed of the web V P is controlled in
Ferner wird in dem bahnförmigen anisotropen Vliesstoff die Richtung, in der eine große Anzahl der Kohlenstofffasern ungleichmäßig orientiert ist, als „Hauptorientierungsrichtung“ bezeichnet, und die Richtung senkrecht zur „Hauptorientierungsrichtung“ wird als „Nebenorientierungsrichtung“ bezeichnet.Further, in the sheet-shaped anisotropic nonwoven fabric, the direction in which a large number of the carbon fibers are unevenly oriented is referred to as "major orientation direction", and the direction perpendicular to the "major orientation direction" is referred to as "sub-orientation direction".
In dem konventionellen Vliesstoff, der die Kohlenstofffasern verwendet und nahezu isotrope Eigenschaften aufweist, sind die Kohlenstofffasern in jeder Richtung gebogen. In den oben erläuterten anisotropen Vliesstoffen ist jedoch eine große Anzahl von Kohlenstofffasern, die absichtlich und ungleichmäßig in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind, d.h. die Kohlenstofffasern, die in der „Hauptorientierungsrichtung" ausgerichtet sind, in einer fast geraden Linie angeordnet, ohne gebogen zu sein.In the conventional non-woven fabric using the carbon fibers and having nearly isotropic properties, the carbon fibers are bent in every direction. In the anisotropic nonwoven fabrics explained above, however, a large number of carbon fibers intentionally and unevenly oriented in a certain direction, ie, the carbon fibers oriented in the "main orientation direction" are arranged in an almost straight line without being bent.
Da das Verhältnis der Ausrichtung der Kohlenstofffasern die anisotrope Eigenschaft hat, nimmt in den oben erläuterten anisotropen Vliesstoffen der Grad der Biegung der Kohlenstofffasern in der Richtung, in der eine große Anzahl von Kohlenstofffasern ausgerichtet ist, ab, und diese Fasern werden in einer fast geraden Linie angeordnet. Wenn die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe unter Verwendung der anisotropen Vliesstoffe hergestellt werden, werden somit die (Zug- und Biege-) Festigkeit und der (Zug- und Biege-) Elastizitätsmodul der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe in der Richtung, in der eine große Anzahl von Kohlenstofffasern ausgerichtet ist, aufgrund des synergetischen Effekts von (a) dem Effekt der Ausrichtung einer großen Anzahl von Kohlenstofffasern und (b) dem Effekt der Verringerung des Grads der Biegung der Kohlenstofffasern stark verbessert.In the anisotropic nonwoven fabrics explained above, since the ratio of orientation of the carbon fibers has the anisotropic property, the degree of bending of the carbon fibers in the direction in which a large number of carbon fibers are aligned decreases, and these fibers become in an almost straight line arranged. Thus, when the carbon-carbon composites are produced using the anisotropic nonwoven fabrics, the (tensile and flexural) strength and the (tensile and flexural) modulus of elasticity of the carbon-carbon composites in the direction in which a large number of carbon fibers is greatly improved due to the synergistic effect of (a) the effect of aligning a large number of carbon fibers and (b) the effect of reducing the degree of bending of the carbon fibers.
Im Folgenden werden die Herstellungsverfahren der die anisotropen Vliese verwendenden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe erläutert.The manufacturing processes of the carbon-carbon composite materials using the anisotropic nonwoven fabrics are explained below.
In Schritt 21 zum Laminieren der anisotropen Vliesstoffe werden zunächst die anisotropen Vliesstoffe aus den Kohlenstofffasern so zugeschnitten, dass sie eine vorbestimmte Größe haben. Dann wird eine Platte mit einer vorbestimmten Form durch Laminieren mehrerer der Vliesstoffe gebildet.In
Zu diesem Zeitpunkt ist die Richtung der anisotropen Vliesstoffe, in der eine große Anzahl von Kohlenstofffasern ungleichmäßig orientiert ist, nämlich die „Hauptorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe, in derselben Richtung ausgerichtet, und die Richtung senkrecht zu der Richtung, in der eine große Anzahl von Kohlenstofffasern ungleichmäßig orientiert ist, nämlich die „Nebenorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe, ist in der anderen Richtung ausgerichtet. Die „Hauptorientierungsrichtung" und die „Nebenorientierungsrichtung" sind also zwei Richtungen, die orthogonal zueinander und entlang der Laminatebene des Laminatkörpers verlaufen.At this time, the direction of the anisotropic non-woven fabrics in which a large number of carbon fibers are unevenly oriented, namely the "main orientation direction" of the anisotropic non-woven fabrics, is aligned in the same direction, and the direction perpendicular to the direction in which a large number of carbon fibers are oriented non-uniformly oriented, namely the "secondary orientation direction" of the anisotropic nonwoven fabrics, is oriented in the other direction. The "main orientation direction" and the "secondary orientation direction" are therefore two directions that are orthogonal to one another and run along the laminate plane of the laminate body.
Als nächstes wird Schritt 22 zur Bildung eines laminierten Körpers unter Verwendung von anisotropen Vliesstoffen durch Erhitzen und Pressen erläutert. Im Schritt 22 wird ein Formkörper in einem früheren Stadium der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien (als „Vorform“ oder „Vorläufer“ bezeichnet) durch Erhitzen und Pressen des laminierten Körpers aus den im Schritt 21 hergestellten anisotropen Vliesstoffen gebildet.Next, step 22 of forming a laminated body using anisotropic nonwoven fabrics by heating and pressing will be explained. In
Im Schritt 22 zur Bildung eines laminierten Körpers aus anisotropen Vliesstoffen durch Erhitzen und Pressen wird das Verfahren durchgeführt, um das Bindemittel, welches das organische Material ist und in den anisotropen Vliesstoffen enthalten ist, in das kohlenstoffhaltige Material umzuwandeln, das das anorganische Material ist, während die Form des laminierten Körpers aus anisotropen Vliesstoffen beibehalten wird.In the
Wenn die Vorform der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe durch Erhitzen und Pressen des laminierten Körpers mit einer plattenartigen Form gebildet wird, wird der laminierte Körper der Vliesstoffe aus den Kohlenstofffasern zwischen die Heizplatten einer Heißpresse eingelegt und durch die Heizplatten erhitzt und gepresst.When the carbon-carbon composites preform is formed by heating and pressing the laminated body having a plate-like shape, the laminated body of the carbon fiber nonwoven fabrics is sandwiched between the hot plates of a hot press and heated and pressed by the hot plates.
Dabei soll die Heiztemperatur mehr als 400°C betragen, und es ist möglich, das Bindemittel in das kohlenstoffhaltige Material umzuwandeln, indem der laminierte Körper bei dieser Temperatur erhitzt wird.At this time, the heating temperature should be more than 400°C, and it is possible to convert the binder into the carbonaceous material by heating the laminated body at this temperature.
In der Vorform der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien wird das Bindemittel, das die kurzen Kohlenstofffasern bindet, in das kohlenstoffhaltige Material umgewandelt, und das kohlenstoffhaltige Material bindet und hält jede der Kohlenstofffasern. So ist es möglich, die vorgeformte und plattenartige Form der Vorform beizubehalten.In the preform of the carbon-carbon composite materials, the binder that binds the short carbon fibers is converted into the carbonaceous material, and the carbonaceous material binds and holds each of the carbon fibers. Thus, it is possible to keep the preformed and plate-like shape of the preform.
Beim Erhitzungsprozess zur Bildung der Vorform aus den Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen vergast ein Teil der Bindemittel und verschwindet, und der andere Teil der Bindemittel bleibt als kohlenstoffhaltiges Material zurück. So entstehen leere Löcher in dem Bereich, in dem die Bindemittel ausgasen und verschwinden, und es bildet sich ein poröses Material.In the heating process to form the carbon-carbon composite preform, part of the binders gasify and disappear, and other part of the binders remain as carbon substance-containing material back. This creates voids in the area where the binders outgas and disappear, and a porous material forms.
Als nächstes wird Schritt 23 zum Schmelzen und Imprägnieren von Pech oder Harz erläutert. Schritt 23 wird durchgeführt, um Kohlenstoffmaterialien in die leeren Löcher und die zwischen den Kohlenstofffasern entstandenen Mikroräume zu füllen und um die dichte Matrix durch Imprägnieren des Pechs oder des Harzes in die poröse Vorform der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien zu bilden.Next,
Im Schritt 23 werden zunächst Pulver oder Späne des Pechs oder des Harzes, die sich in einem Behälter befinden, erhitzt und geschmolzen. Als Pech, das hier verwendet wird, kann ein Steinkohlenteerpech oder ein Erdölpech verwendet werden, und das Pech, das eine hohe Imprägnierfähigkeit und einen hohen Umwandlungswirkungsgrad vom Pech zum kohlenstoffhaltigen Material hat, ist vorzuziehen. Ferner kann als Harz beispielsweise ein wärmehärtendes Harz, wie ein Phenolharz oder ein Furanharz, verwendet werden, und das Harz mit hoher Imprägnierfähigkeit und hohem Umwandlungswirkungsgrad aus dem Harz in das kohlenstoffhaltige Material ist vorzuziehen. Das Harz ist jedoch nicht auf die oben genannten Harze beschränkt.First, in
Dann wird das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz in die oben erläuterten Löcher und Mikroräume imprägniert, indem die Vorform des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials in den das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz enthaltenden Behälter eingetaucht wird.Then, the molten pitch or resin is impregnated into the holes and microvoids explained above by dipping the carbon-carbon composite material preform into the container containing the molten pitch or resin.
Zu diesem Zeitpunkt ist es möglich, das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz in die Vorform der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe zu imprägnieren, indem die Vorform in den Unterdruckbehälter gesetzt und das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz in den Unterdruckbehälter gegossen wird. Nach dem Eintauchen des Vorformlings aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen in das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz ist es ferner möglich, das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz durch Ausüben von Druck auf das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz zwangsweise in das Innere des Vorformlings zu imprägnieren.At this time, it is possible to impregnate the molten pitch or resin into the preform of the carbon-carbon composite materials by setting the preform in the vacuum tank and pouring the molten pitch or resin into the vacuum tank. Further, after immersing the carbon-carbon composite preform in the molten pitch or resin, it is possible to forcibly inject the molten pitch or resin into the interior of the preform by applying pressure to the molten pitch or resin impregnate.
In Schritt 24 zur Karbonisierung des mit dem geschmolzenen Pech oder dem geschmolzenen Harz imprägnierten Vorformlings wird der mit dem geschmolzenen Pech oder dem geschmolzenen Harz imprägnierte Vorformling des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials unter Verwendung eines Karbonisierungsofens auf etwa 800°C - 1500°C erhitzt und das in den Vorformling imprägnierte Pech oder Harz wird in das kohlenstoffhaltige Material umgewandelt.In
Wenn sich das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz, mit dem die Vorform des Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials imprägniert ist, in das kohlenstoffhaltige Material umwandelt, wird ein Teil des geschmolzenen Pechs oder des geschmolzenen Harzes in das kohlenstoffhaltige Material umgewandelt und der andere Teil des geschmolzenen Pechs oder des geschmolzenen Harzes vergast und verschwindet. Auf diese Weise entstehen die Mikrolöcher wieder an der Stelle, an der das geschmolzene Pech oder das geschmolzene Harz imprägniert wurde.When the molten pitch or resin impregnated in the carbon-carbon composite material preform converts to the carbonaceous material, a part of the molten pitch or resin converts to the carbonaceous material and the other part of the molten pitch or the melted resin gasifies and disappears. In this way, the micro-holes reappear where the molten pitch or resin was impregnated.
Um die in der Vorform neu entstandenen Mikrolöcher zu füllen, kann Schritt 23 zum Schmelzen und Imprägnieren des Pechs oder des Harzes und Schritt 24 zum Karbonisieren der mit dem geschmolzenen Pech oder dem geschmolzenen Harz imprägnierten Vorform, wie oben erläutert, einmal oder mehrmals wiederholt werden.In order to fill the microholes newly formed in the preform, step 23 for melting and impregnating the pitch or resin and step 24 for carbonizing the preform impregnated with the melted pitch or resin as explained above may be repeated one or more times.
Gemäß den oben erläuterten Verfahren werden die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe fertiggestellt.According to the methods explained above, the carbon-carbon composites are finished.
In Schritt 25 zum Graphitieren der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe ist es möglich, falls erforderlich die Kohlenstofffasern und die Kohlenstoffmatrix der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe in Graphit mit einer fortgeschrittenen Kristallstruktur umzuwandeln, indem die Graphitierungsbehandlung der fertigen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe bei etwa 2000°C - 2800°C weiter durchgeführt wird.In
In der obigen Beschreibung wird erläutert, dass die anisotropen Vliesstoffe die kurzen Kohlenstofffasern und das Bindemittel umfassen. Sie sind jedoch nicht auf diese beschränkt.In the above description, it is explained that the anisotropic nonwoven fabrics comprise the short carbon fibers and the binder. However, you are not limited to these.
In Schritt 11 zur Herstellung der gemischten Lösung ist es möglich, ferner Petroleum und/oder Steinkohlenkokspulver, das keine weichmachende Eigenschaft hat, hinzuzufügen oder das Petroleum und/oder das Steinkohlenbinderpechpulver, welches die weichmachende Eigenschaft hat, und das Petroleum und/oder das Steinkohlenkokspulver, das die weichmachende Eigenschaft nicht hat, weiter hinzuzufügen.In
Aufgrund des oben erläuterten Verfahrens wird das Petroleum und/oder das Steinkohlenkokspulver, das keine weichmachende Eigenschaft hat, in die anisotropen Vliesstoffe gestreut und mit dem Bindemittel vermischt, oder das Petroleum und/oder das Steinkohlenbinderpechpulver, das die weichmachende Eigenschaft hat, und das Petroleum und/oder das Steinkohlenkokspulver, das keine weichmachende Eigenschaft hat, werden in die anisotropen Vliesstoffe gestreut und mit dem Bindemittel vermischt.Due to the above method, the kerosene and/or coal binder pitch powder having no softening property is scattered into the anisotropic non-woven fabrics and mixed with the binder, or the kerosene and/or coal binder pitch powder having the softening property, and the kerosene and /or the hard coal coke powder, which has no softening property, are sprinkled into the anisotropic non-woven fabrics and mixed with the binder.
Wie oben erläutert, verbleiben bei der Herstellung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe unter Verwendung der anisotropen Vliesstoffe mit dem Binderpechpulver und dem Kokspulver während der Wärmebehandlung in den Herstellungsverfahren der größte Teil oder das gesamte Binderpechpulver und das Kokspulver als Kohlenstoffmatrix in den Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen. Auf diese Weise lässt sich die Dichte der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe einfach erhöhen. Infolgedessen ist es möglich, die Anzahl der Wiederholungen des-Schritts 23 zum Schmelzen und Imprägnieren des Pechs oder des Harzes in den Herstellungsverfahren der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe zu verringern oder Schritt 23 auszulassen.As explained above, when manufacturing the carbon-carbon composites using the anisotropic nonwoven fabrics with the binder pitch powder and the coke powder, most or all of the binder pitch powder and the coke powder remain as the carbon matrix in the carbon-carbon composites during the heat treatment in the manufacturing processes . In this way, the density of the carbon-carbon composites can easily be increased. As a result, it is possible to reduce the number of repetitions of the
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung der Befestigungsschraube 2 aus dem laminierten Körper 1 der zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe erläutert, der durch Laminieren der kurze Kohlenstofffasern verwendenden anisotropen Vliese hergestellt wird.Next, the method of manufacturing the tightening
In dieser Beschreibung wird eine „Befestigungsschraube 2" als Oberbegriff für einen „Bolzen 2“, einen „Vollgewindebolzen 2“ und eine „Mutter 2“ usw. festgelegt.In this specification, a "
Nachfolgend wird das Herstellungsverfahren des Vollgewindebolzens 2, der ein Beispiel für die Befestigungsschraube 2 ist, erläutert.The manufacturing method of the fully threaded
Der laminierte Körper 1 aus den zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, die durch die Verfahren unter Verwendung der anisotropen Vliese hergestellt werden, wird durch Ausrichten der Richtungen der anisotropen Vliese gebildet. Somit hat der laminierte Körper 1 die gleichen Richtungen wie die der anisotropen Vliese.The
Die Richtungen des laminierten Körpers 1 aus den zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind wie folgt definiert.The directions of the
Die Richtung, die der „Hauptorientierungsrichtung“ der zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien entspricht, die durch Laminieren hergestellt werden, so dass die „Hauptorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe in einer Richtung ausgerichtet ist, ist als X-Richtung definiert, und die Richtung, die der „Nebenorientierungsrichtung“ des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials entspricht, ist als Y-Richtung definiert.The direction corresponding to the “principal orientation direction” of the two-dimensional carbon-carbon composite materials produced by lamination so that the “principal orientation direction” of the anisotropic nonwoven fabrics is aligned in one direction is defined as the X direction, and the direction that corresponds to the “sub-orientation direction” of the two-dimensional carbon-carbon composite material is defined as the Y-direction.
Der Vollgewindebolzen 2 wird aus dem laminierten Körper 1 des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterials mit zwei Richtungen, der X-Richtung und der Y-Richtung, so hergestellt, dass er den in
Die Mittelachse des Vollgewindebolzens 2 entspricht nämlich der Y-Richtung des Laminatkörpers 1, und die Richtung senkrecht zur Mittelachse des Vollgewindebolzens 2 entspricht der X-Richtung des Laminatkörpers 1 (siehe
Das Verfahren zum Ausschneiden des Rohmaterials des Vollgewindebolzens 2 aus dem Schichtkörper 1 des zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs und zur Fertigstellung des Vollgewindebolzens 2 durch Bearbeitung des Rohmaterials ist nicht beschränkt. Es ist möglich, den Vollgewindebolzen 2 unter Verwendung bekannter Maschinen, wie z.B. einer Bandsäge, einer Fräsmaschine, einer Drehmaschine etc. herzustellen.The method of cutting out the raw material of the fully threaded
Im Allgemeinen tragen bei der Schraube 2, die durch maschinelle Bearbeitung des laminierten Körpers 1 aus den Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen hergestellt wurde, die Rippen in den in
Bei der erfindungsgemäßen Vollgewindeschraube 2 liegt die „X-Richtung“ (in der die große Anzahl von Kohlenstofffasern ausgerichtet ist) des Schichtkörpers 1 in den Bereichen P einander gegenüber. Infolgedessen ist es möglich, den Beitrag der Kohlenstofffasern zur Festigkeit des Gewindebolzens 2 zu erhöhen und die Festigkeit des Gewindebolzens 2 drastisch zu steigern.In the fully-threaded
Ausführungsformenembodiments
Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe mit einer plattenartigen Form wurden unter Verwendung der anisotropen Vliesstoffe, wie oben erläutert, hergestellt.The carbon-carbon composites having a plate-like shape were produced using the anisotropic nonwoven fabrics as explained above.
Unter Verwendung dieser Vliese als Rohmaterial wurden die Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 hergestellt, und es wurden ein statischer Belastungstest und ein thermischer Belastungstest für die Bolzen 2 durchgeführt.Using these non-woven fabrics as raw material, fully threaded
Einzelheiten zu den Herstellungsverfahren der zweidimensionalen (plattenförmigen) Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe und zu diesen Prüfungen werden im Folgenden erläutert.
- 1. Herstellungsverfahren von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen mit plattenförmiger Gestalt unter Verwendung der (anisotropen) Vliesstoffe
- 1. Manufacturing method of carbon-carbon composite materials having a plate-like shape using the (anisotropic) non-woven fabrics
Bei dieser Ausführungsform wurden die anisotropen Vliesstoffe unter Verwendung der pechbasierten und kurzen Kohlenstofffasern hergestellt, so dass die große Anzahl der kurzen Kohlenstofffasern ungleichmäßig in der Papierherstellungsrichtung orientiert war. So verringerte sich die Menge der Kohlenstofffasern, die in der Richtung senkrecht zur Papierherstellungsrichtung orientiert waren, durch die erhöhte Menge der Kohlenstofffasern, die in der Papierherstellungsrichtung orientiert waren. Somit entspricht die Papierherstellungsrichtung der „Hauptorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe und die Richtung senkrecht zur Papierherstellungsrichtung entspricht der „Nebenorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe.In this embodiment, the anisotropic nonwoven fabrics were made using the pitch-based and short carbon fibers so that the large number of the short carbon fibers were oriented unevenly in the papermaking direction. Thus, the amount of the carbon fibers oriented in the direction perpendicular to the papermaking direction decreased by the increased amount of the carbon fibers oriented in the papermaking direction. Thus, the papermaking direction corresponds to the "major orientation direction" of the anisotropic nonwoven fabrics, and the direction perpendicular to the papermaking direction corresponds to the "minor orientation direction" of the anisotropic nonwoven fabrics.
Im Übrigen umfassen die in dieser Ausführungsform verwendeten anisotropen Vliesstoffe nur die Kohlenstofffasern und das Bindemittel und enthalten nicht das Binderpechpulver und das Kokspulver. Incidentally, the anisotropic nonwoven fabrics used in this embodiment include only the carbon fibers and the binder and do not contain the binder pitch powder and the coke powder.
Ferner wurde die Menge der Kohlenstofffasern in den anisotropen Vliesstoffen so gesteuert, dass der Inhalt (Volumenanteil) der Kohlenstofffasern in den fertigen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien 40 % betrug.Further, the amount of the carbon fibers in the anisotropic nonwoven fabrics was controlled so that the content (volume fraction) of the carbon fibers in the final carbon-carbon composite materials was 40%.
In Schritt 21 zum Laminieren der anisotropen Vliesstoffe der Herstellungsverfahren des laminierten Körpers 1 der zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien wurden die anisotropen Vliesstoffe so laminiert, dass die „Hauptorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe der X-Richtung des laminierten Körpers 1 entsprach und die „Nebenorientierungsrichtung“ der anisotropen Vliesstoffe der Y-Richtung des laminierten Körpers 1 entsprach.In
Somit wurde die große Anzahl von Kohlenstofffasern in der X-Richtung des laminierten Körpers 1 ausgerichtet und die kleine Anzahl von Kohlenstofffasern in der Y-Richtung des laminierten Körpers 1.Thus, the large number of carbon fibers were aligned in the X direction of the
Schritt 23 zum Schmelzen und Imprägnieren des Pechs oder des Harzes und Schritt 24 zum Karbonisieren des Vorformlings wurden jeweils nacheinander durchgeführt. Schritt 25 zur Graphitierung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien wurde bei 2500°C durchgeführt.
Die Prüfkörper wurden aus den fünf Platten der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe geschnitten, die in dem Ausführungsbeispiel experimentell hergestellt wurden. Dann wurden die Biegefestigkeit, der Zug-Elastizitätsmodul und der Wärmeausdehnungskoeffizient in X- und Y-Richtung unter Verwendung der Prüfkörper gemessen. Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt (jede Messung zeigt den Durchschnitt der Messungen der fünf Platten). Im Übrigen sind die Verhältnisse der Biegefestigkeit σx σy, des Zugelastizitätsmoduls Ex/ Ey und des Wärmeausdehnungskoeffizienten αx/αy in X- und Y-Richtung ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 Eigenschaften der zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe
In den zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen, die in diesem Ausführungsbeispiel hergestellt wurden, betrugen das Verhältnis der Biegefestigkeit und das Verhältnis des Zugelastizitätsmoduls in X-Richtung und Y-Richtung 2,50 bzw. 3,75. Die anisotropen Eigenschaften von mehr als 1,5, die von den die herkömmlichen isotropen Vliesstoffe verwendenden zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen nicht erreicht werden konnten, wurden also realisiert.In the two-dimensional and anisotropic carbon-carbon composites produced in this embodiment, the flexural strength ratio and the ratio of tensile elastic modulus in the X-direction and Y-direction were 2.50 and 3.75, respectively. Thus, the anisotropic properties of more than 1.5, which could not be achieved by the two-dimensional carbon-carbon composite materials using the conventional isotropic nonwoven fabrics, were realized.
Darüber hinaus betrug das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten in X- und Y-Richtung 0,74. Das heißt, die anisotrope Eigenschaft von weniger als 0,8, die von den die herkömmlichen isotropen Vliesstoffe verwendenden zweidimensionalen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen nicht erreicht werden konnte, wurde realisiert.In addition, the ratio of the coefficient of thermal expansion in the X and Y directions was 0.74. That is, the anisotropic property of less than 0.8, which could not be achieved by the carbon-carbon two-dimensional composite materials using the conventional isotropic nonwoven fabrics, was realized.
Als nächstes wird ein Vergleichsbeispiel erläutert. In dem Vergleichsbeispiel wurden die Vliesstoffe bei der Herstellung so gefertigt, dass die große Anzahl der Kohlenstofffasern nicht ungleichmäßig in eine bestimmte Richtung orientiert war. Somit waren die kurzen Kohlenstofffasern annähernd gleichmäßig und zerstreut in der Ebene der Vliesstoffe ausgerichtet, und die Vliesstoffe hatten isotrope Eigenschaften in der Ebene der Stoffe. Abgesehen von dem zuvor erläuterten Punkt gab es keinen Unterschied zwischen den Herstellungsverfahren der Vliesstoffe in dem Ausführungsbeispiel und dem Vergleichsbeispiel.Next, a comparative example will be explained. In the comparative example, the non-woven fabrics were manufactured so that the large number of carbon fibers were not oriented unevenly in a specific direction. Thus, the short carbon fibers were oriented approximately uniformly and scattered in the plane of the non-woven fabrics, and the non-woven fabrics had isotropic properties in the plane of the fabrics. Except for the above point, there was no difference between the manufacturing methods of the non-woven fabrics in the embodiment and the comparative example.
Ferner gab es bei den Herstellungsverfahren der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien mit der plattenartigen Form des Vergleichsbeispiels, mit Ausnahme des Punktes, dass der laminierte Körper durch Laminieren der isotropen Vliesstoffe hergestellt wurde, keinen Unterschied zwischen den Herstellungsverfahren der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien mit der plattenartigen Form in dem Ausführungsbeispiel und dem Vergleichsbeispiel.Furthermore, there was no difference between the manufacturing methods of the carbon-carbon composite materials with the plate-like in the manufacturing methods of the carbon-carbon composite materials with the plate-like shape of the comparative example, except for the point that the laminated body was made by laminating the isotropic nonwoven fabrics Shape in the embodiment and the comparative example.
Aus den fünf Platten der isotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, die im Vergleichsbeispiel experimentell hergestellt wurden, wurden die Prüfkörper geschnitten. Anschließend wurden unter Verwendung der Prüfkörper die Biegefestigkeit, der Zug-Elastizitätsmodul und der Wärmeausdehnungskoeffizient gemessen.Test pieces were cut from the five sheets of the isotropic carbon-carbon composite materials experimentally produced in Comparative Example. Then, using the test pieces, flexural strength, tensile elastic modulus and thermal expansion coefficient were measured.
Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 2 aufgeführt (jede Messung zeigt den Durchschnitt der Messungen der fünf Platten). Tabelle 2 Eigenschaften des zweidimensionalen und isotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe
2. Statischer Belastungstest für die Bolzen 2 (die Vollgewindebolzen 2)2. Static load test for the bolts 2 (the fully threaded bolts 2)
In dem Ausführungsbeispiel wurden die Bolzen 2 (die Vollgewindebolzen 2) aus den oben erläuterten zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen so bearbeitet, dass die Bolzen 2 die in
Zum Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel wurden die Vollgewindebolzen 2 des Vergleichsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 2 hergestellt. Im Vergleichsbeispiel 1 wurden die Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 aus den oben erläuterten zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen so bearbeitet, dass die Richtung der Mittelachse der Vollgewindebolzen 2 der X-Richtung der zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe entsprach.For comparison with the embodiment, the fully threaded
Ferner wurden im Vergleichsbeispiel 2 die Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 aus den im Vergleichsbeispiel erläuterten zweidimensionalen und isotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen hergestellt.Furthermore, in comparative example 2, the fully threaded
Metallmuttern 4 wurden an beiden Enden der Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 des Ausführungsbeispiels, des Vergleichsbeispiels 1 und des Vergleichsbeispiels 2 angebracht, und der statische Belastungstest (der Zugbelastungstest) für die Vollgewindebolzen 2 wurde durchgeführt, indem die Bolzen 2 so gedehnt wurden, dass die Muttern 4 entlang der Mittelachse der Vollgewindebolzen 2 voneinander entfernt waren. Die Ergebnisse der Prüfung sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3 Ergebnisse des statischen Belastungstests für die Vollgewindebolzen 2 des Ausführungsbeispiels und Vergleichsbeispiele 1 und 2
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Vollgewindebolzen 2 des Ausführungsbeispiels (Schrauben, die so hergestellt sind, dass die Richtung der Mittelachse der Schrauben der Y-Richtung (der „Nebenorientierungsrichtung“ der Kohlenstofffasern) der zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe entspricht) eine ausgezeichnete Festigkeit aufweisen, im Vergleich zu den Vollgewindebolzen 2 des Vergleichsbeispiels 1 (Schrauben, die so hergestellt sind, dass die Richtung der Mittelachse der Schrauben der X-Richtung (der „Hauptorientierungsrichtung“ der Kohlenstofffasern) der zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien entspricht) und des Vergleichsbeispiels 2 (Schrauben, die aus den zweidimensionalen und isotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien hergestellt sind).From these results, it can be seen that the fully threaded
3. Prüfung der thermischen Belastbarkeit der Schrauben 23. Checking the thermal load capacity of the
Die Prüfung der thermischen Belastbarkeit wurde durchgeführt. Bei den Prüflingen handelte es sich um die gleichen Schrauben wie die Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 des Ausführungsbeispiels (die Schrauben aus den zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen), die bei der statischen Belastungsprüfung verwendet wurden, und um die gleichen Schrauben wie die Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 des Vergleichsbeispiels 2 (die Schrauben aus den zweidimensionalen und isotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen), die bei der statischen Belastungsprüfung verwendet wurden.The thermal load capacity test was carried out. The test specimens were the same screws as the fully threaded
Die Prüfung der thermischen Belastbarkeit wurde nach dem folgenden Verfahren durchgeführt.The thermal endurance test was performed according to the following procedure.
Zunächst wurde der Vollgewindebolzen 2 in ein Durchgangsloch in der Mitte eines Abstandshalters 3 aus isotropem Graphit eingeführt, wie in
Anschließend wurden die integrierten Prüfkörper in einer Inertgasatmosphäre auf 1200°C und 2000°C erhitzt. Nach Abkühlung der integrierten Prüfkörper auf Raumtemperatur erfolgte die Evaluierung der thermischen Belastbarkeit der Vollgewindebolzen 2 mit den Nenngrößen M8 und M12 durch eine äußere Prüfung, ob Beschädigungen an den Prüfkörpern aufgetreten waren.The integrated test specimens were then heated to 1200°C and 2000°C in an inert gas atmosphere. After the integrated test specimens had cooled down to room temperature, the thermal load capacity of the fully threaded
Die Ergebnisse der Prüfung der thermischen Belastbarkeit sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4 Ergebnisse der Prüfung der thermischen Belastbarkeit der der Vollgewindebolzen 2
Unter der Annahme, dass die Vollgewindebolzen 2 mit dem Abstandshalter 3 aus isotropem Graphit zusammengebaut wurden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient um einen Faktor 1 größer ist als der der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe, traten an den Vollgewindebolzen 2 (Schrauben, die so hergestellt wurden, dass die Richtung der Mittelachse der Schrauben der Y-Richtung (der „Nebenorientierungsrichtung“ der Kohlenstofffasern) der zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe entsprach) des Ausführungsbeispiels, obwohl die integrierten Prüfkörper großen Temperaturunterschiede (1200°C und 2000°C) ausgesetzt wurden, weder eine Beschädigung noch eine Lockerung des Gewindes auf.Assuming that the fully-threaded
Im Gegensatz dazu wurden bei den Vollgewindebolzen 2 (hergestellt aus den zweidimensionalen und isotropen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen) des Vergleichsbeispiels 2 bei allen Prüfkörpern Beschädigungen des Gewindes aufgrund der thermischen Belastung beobachtet.In contrast, in the fully threaded bolts 2 (made of the two-dimensional and isotropic carbon-carbon composite materials) of Comparative Example 2, damage to the thread due to the thermal stress was observed in all the test specimens.
Die Vollgewindebolzen 2 des Ausführungsbeispiels sind also hinsichtlich der thermischen Belastbarkeit den Vollgewindebolzen 2 des Vergleichsbeispiels 2 überlegen. Bei den Vollgewindebolzen 2 des Ausführungsbeispiels ist der Effekt der Reduzierung der thermischen Spannungen bemerkenswert.The fully threaded
Es wird davon ausgegangen, dass der bemerkenswerte Effekt zur Reduzierung der thermischen Spannung auf dem Synergieeffekt der folgenden zwei Effekte beruht. Zum einen ist der Wärmeausdehnungskoeffizient in Richtung der Mittelachse der Vollgewindebolzen 2 des Ausführungsbeispiels größer als der der Vollgewindebolzen 2 des Vergleichsbeispiels 2 und nahezu gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Abstandshalters 3 aus isotropem Graphit, und zum anderen ist der Zug-Elastizitätsmodul in Richtung der Mittelachse der Vollgewindebolzen 2 des Ausführungsbeispiels kleiner als der der Vollgewindebolzen 2 des Vergleichsbeispiels 2.The remarkable thermal stress reducing effect is considered to be due to the synergistic effect of the following two effects. First is thermal expansion coefficient in the central axis direction of the fully threaded
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- laminierter Körper aus einem zweidimensionalen und anisotropen Kohlenstoff Kohlenstoff-Verbundwerkstofflaminated body of a two-dimensional and anisotropic carbon-carbon composite
- 22
- Verbindungselement mit Gewinde (ein Bolzen, ein Vollgewindebolzen und eine Mutter)Threaded fastener (a bolt, a fully threaded bolt and a nut)
- 33
- Abstandshalterspacers
- 44
- MutterMother
- 1111
- Schritt zur Herstellung einer gemischten LösungStep to prepare a mixed solution
- 1212
- Schritt zum Formen einer Bahn durch Gießen einer gemischten Lösung auf ein Netz eines MaschenförderersA step of forming a web by pouring a mixed solution onto a net of a mesh conveyor
- 1313
- Schritt zum Trocknen einer Kohlenstofffasern verwendenden BahnStep of drying a web using carbon fibers
- 2121
- Schritt zum Laminieren anisotroper VliesstoffeStep of laminating anisotropic non-woven fabrics
- 2222
- Schritt zur Bildung eines laminierten Körpers unter Verwendung von anisotropen Vliesstoffen durch Erhitzen und PressenA step of forming a laminated body using anisotropic nonwoven fabrics by heating and pressing
- 2323
- Schritt zum Schmelzen und Imprägnieren eines Pechs oder eines HarzesStep of melting and impregnating a pitch or a resin
- 2424
- Schritt zur Karbonisierung eines mit geschmolzenem Pech oder geschmolzenem Harz imprägnierten VorformlingsStep of carbonizing a preform impregnated with molten pitch or molten resin
- 2525
- Schritt zur Graphitierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-VerbundwerkstoffenStep of graphitization of carbon-carbon composites
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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