DE1646454A1

DE1646454A1 - Kohlenstoffkoerper und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1646454A1
Application number: DE19671646454
Authority: DE
Inventors: Ehrenreich Leo C; Carlson Walter H
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Unifrax 1 LLC
Priority date: 1966-12-13
Filing date: 1967-12-09
Publication date: 1971-07-01
Also published as: GB1215589A; US3657061A; BE728642A; AT288320B; SE335959B

Description

The Carborundum Company

Niagara Falls, N.Y.

USA 8. Dezember I967

Kohlenstoffkörper und Verfahren zu seiner Herstellung.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kohlenstoffkörper mit Λ Schichten aus Kohlenstoffasern und einer Bindemittel-Matrix aus Kohlenstoff und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers, bei dem Schichten aus verkohlbaren Pasern aufeinandergelegt und verkohlt oder Schichten aus Kohlenstoffasern aufeinandergelegt werden und die Schichten darauf mit einem verkohlbaren Bindemittel getränkt werden und das Bindemittel aushärten gelassen und dann durch Erhitzen verkohlt wird.

Als Schichten können Pasergewebe dienen, die aufeinandergestapelt werden. Die Schichten können jedoch auch in der Weise erzeugt und aufeinandergelegt werden, daß die Kohlenstoffasern einzeln oder in Form eines Bandes oder Garnes " auf einen Dorn aufgewickelt werden. Der so ausgebildete Formkörper wird nach dem Tränken zusammengepreßt und dann, wie erwähnt, zum Verkohlen des Bindemittels erhitzt. Das Tränken kann so oft wiederholt werden, wie es zum Erreichen einer gewünschten Dichte des Fertigerzeugnisses notwendig ist.

Die Erzeugnisse, die in der geschilderten Weise hergestellt werden, haben eine Lamellenstruktur, bei der die Schichten durch eine Kohlenstoff-Matrix miteinander verbunden sind» Solche Erzeugnisse besitzen zwar im Ganzen ausgezeichnete Eigenschaften, haben aber eine gewisse Schwäche, Insbesondere 21 456 109827/1128

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gegenüber Schubbeanspruchungen parallel zu den Schichtebenen.

' Die Erfindung bezweckt, einen solchen Kohlenstoffkörper zu schaffen, der zwischen seinen Schichten eine größere Festigkeit aufweist und dadurch auch eine längere Lebensdauer und vielfältigere Anwendungsmöglichkeiten hat.

Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kohlenstoffkörpers zu schaffen.

Gemäß der Erfindung reicht bei einem Kohlenstoffkörper mit Schichten aus Kohlenstoffasern und einer Bindemittel-Matrix aus Kohlenstoff eine Vielzahl von Kohlenstoffasern aus einer Schicht bis mindestens in die nächste hinein.

Durch diejenigen Fasern, die sich von einer Schicht in die nächste erstrecken, wird eine Verstärkung des Körpers zwischen den Schichtebenen erreicht, während sich die Fasern bisher ausschließlich innerhalb der Schichtebenen erstreckten und daher eine solche Verstärkung nicht bewirken konnten.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoffkörpers der genannten Art, bei dem in an sich bekannter Weise Schichten aus verkohlbaren Fasern aufeinandergelegt und verkohlt oder Schichten aus Kohlenstoffasern aufeinandergelegt werden und die Schichten darauf mit einem verkohlbaren Bindemittel getränkt werden und das Bindemittel aushärten gelassen und dann durch Erhitzen verkohlt wird, werden erfindungsgemäß nach dem Aufeinanderlegen der Schichten und vor dem Aushärten des Bindemittels die Schichten mit mindestens einer mit mindestens einem Haken versehenen Nadel in einem Winkel zu den Schichtebenen durchstochen,

Die Haken der Nadel erfassen in den Sohlchten Fasern und ziehen sie derart in die nächsten Schichten hinein, daß diese B'asern dann mehrere Schichten durchsetzen.

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Die aus einer Schicht bis mindestens in die nächste hineinreichenden Pasern können aber auch von außen her mittels der Nadel beim Durchstechen der Schichten in diese eingebracht werden. Dies kann bewerkstelligt werden, indem das Durchstechen der Schichten durch eine Schüttung der genannten Fasern hindurch erfolgt. Die Nadeln nehmen dann Pasern aus der Schüttung mit in die Schichten hinein.

Vorzugsweise werden die Schichten im wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen durchstochen.

Nach dem Durchstechen der Schichten und vor dem Aushärten des Bindemittels können weitere Schichten aufgelegt werden Λ und einschließlich zumindest der angrenzenden bereits durchstochenen Schicht durchstochen werden.

Im allgemeinen wird man das Durchstechen ausführen, bevor die Tränkung mit dem Bindemittel erfolgt. Es ist jedoch unter Umständen möglich, auch nach der Tränkung noch das Durchstechen vorzunehmen, solange das Bindemittel noch nicht ausgehärtet ist.

Die bei der Ausführung des erfindui^sgemäßen Verfahrens verwendeten Kohlenstoffasern erhält man durch Verkohlen von Fasern aus verkohlbarem Material, beispielsweise von Zellulosefasern. Graphitfasern kann man erzeugen, indem man solche f Kohlenstoffasern in bekannter Weise graphitisiert. Die Pasern können in die Form von Geweben, Blättern, Band oder Garn gebracht sein oder auch als einzelne Fasern verwendet werden.

Es wird ein Formkörper hergestellt, indem die Fasern einzeln oder als Gewebe, Band oder Garn auf einen Dorn gewickelt werden oder indem Lagen von Blättern oder Gewebe aufeinandergestapelt werden, bis der Formkörper die gewünschte Dicke hat.

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Die Nadeln, mit denen das Durchstechen ausgeführt wird, sind vorzugsweise mit mehreren Vorsprüngen versehen, die in verschiedenen Stellungen an der Nadel angeordnet und derart gegen -die Nadel geneigt sind, daß sie in Stoßrichtung der Nadel als Haken wirken. Je nach der Zahl der Schichten und nach der Eindringtiefe der Nadel können die Haken in verschiedenen Schichten, die sie durchstoßen, Fasern mitnehmen. Beim Herausziehen der Nadel kommen die Fasern von den Haken frei und bleiben in ihrer Lage, in der sie zwei oder mehrere Schichten quer durchsetzen, zurück. Diese Fasern befestigen die einzelnen Schichten des Materials aneinander und sind damit eine Verstärkung des Formkörpers in seiner Richtung parallel zu den Schichtebenen.

Je nach der Art und Große des herzustellenden Formkörpers und der Nadeln können die Schichten alle zugleich oder nur schrittweise durchstochen werden. Ist der Formkörper so dick, daß die Nadeln nicht bis in die innerste Schicht dringen, so wird erst ein Teil der Faserschichten durchstochen und dann werden immer weitere Faserschichten zugefügt und zusammen mit einigen der vorhergehenden Schichten durchstochen, bis der Formkörper die gewünschte Dicke erreicht hat.

Es versteht sich, daß die Fasern, die durch die Nadeln in eine zu den Schichtebenen senkrechte Richtung hineingeschoben werden, entweder aus ihrer ursprünglichen Schichtbindung herausgezogen oder an irgendeinem Punkt abgerissen werden müssen. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, ein solches Zerreißen der Fasern, das bei dem normalen Durchstechen auftritt, zu vermeiden. Man kann das zuwege bringen, indemman auf die Oberfläche des Formkörpers eine Schüttung aus zerhackten Fasern aufbringt, die nicht bevorzugt orientiert sind. Die Haken der Nadel beladen sich dann mit den zerhackten Fasern, führen sie in den Formkörper hinein und hinterlassen sie hier in einer Ausrichtung quer zu den Schichtebenen, wobei aber die Haken, da sie beim Eindringen schon mit den zerhackten Fasern besetzt sind> die

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Pasern der Schichten nicht mehr mitnehmen können, so daß ein Zerreißen dieser Fasern vermieden wird.

Zwar wird man normalerweise Schichten aus fertigen Kohlenstofffasern verwenden, doch ist es auch möglich, in der oben beschriebenen Weise Schichten aus Pasern aufeinanderzulegen und zu durchstechen, die aus einem verkohlbaren Material bestehen und erst vor oder nach dem Durchstechen verkohlt werden.

Das folgende Ausführungsbeispiel soll die Erfindung weiter erläutern.

Beispiel?

Herstellung eines Kohlenstoffrings mit einer Dicke von 12,7 mm, einem Außendurchmesser von 215,9 mm und einem Innendurchmesser von 6^*5 mm«

Es wurden im Ganzen 55 Schichten eines Kohlenstoffagergewebes aufeinandergestapelt, dasetwa to Kettfäden pro cm und 1o Schußfäden pro cm aufwies, wobei es sich um ein zweisträhniges I44oer Padengarn (I44o filament yarn) handelte. Naoli dem Aufeinanderlegen von vier Schichten wurde das Werkstück unter eine Nadelplatte gebracht, die eine Vielzahl abwärts gerichteter, mit Haken versehener Nadeln aufwies und die um ein vorbestimmtes Stück gehoben und gesenkt werden konnte· Mit Hilfe der Nadelplatte wurden die Schichten durchstochen, wobei die Haken einen Teil der Kohlenstoffasern erfaßten und aus ihrer horizontalen Ebene heraus und in die Senkrechte hineinzogen. Das Durchstechen wurde an anderen Stellen wiederholt, bis die ganze Oberfläche des Stapels davon erfaßt worden war. Anschließend wurden vier weitere Schichten aufgelegt und das Durchstechen wurde wiederholt. In dieser Weise wurde fortgefahren, bis die 55 Schichten von Kohlenstoffgewebe zu einem Körper verbunden waren, In dem die verstärkenden ,Pasern nicht nur in der Waagerechten,sondern auch in der Senkrechten ausgerichtet waren.

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Naoh dem Durchstechen wurde der Körper in einen Autoklaven gebracht und auf einen Unterdruck von mindestens 736,6 mm

-säule
Quecksilber evakuiert» Dann wurde der Körper druckimpräghiert mit einem flüssigen Furfurylalkohol-Polymer, das mit 5$ Maleinanhydrid katalysiert war^ und zwar 1 1/2 Stunden lang bei einem Druck von 8,44 Atmosphären. Darauf wurde der Körper auf eine Dicke von etwa 12,7 mm zusammengepreßt; das ■ überschüssige Harz wurde entfernt* Der gepreßte, imprägnierte Körper wurde unter einem Druck von 6,328 bis 8,44 Atmosphären bei 125 C 8 Stunden lang ausgehärtet.

Nach dem Aushärten wurde der Körper in Stickstoff als Schutzgas langsam auf 8oo°C erhitzt, um das Harz, mit dem er getränkt worden war, zu verkohlen. Das Imprägnieren und Verkohlen kann wiederholt werden, bis das Erzeugnis die gewünschte Dichte erreicht hat*

Nach den» Verkohlen wurde der Ring; mechanisch auf die gewünschte Größe fertigbearbeiten.

Das erfindungsgemäße Erzeugnis stellte eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Kohlenstoffkörpern däp, da es nicht nur die außerordentlich guten physikalischen Eigenschaften der bekannten Kohlenstoffkörper hat, sondern auch eine größere Festigkeit zwischen den Schichten, Nach der Erfindung können Erzeugnisse in.den verschiedensten Gestaltungen hergestellt werden« und man kann dabei sowohl von aus einzelnen Pasern, Garnen oder Bändern gewickelten Körpern als auch von Stapeln flacher Blätter ausgehen.

Der Winkel, mit dem die Nadeln die Schichten durchstoßen, kann verschieden sein. So kann es für einige Verwendungszwecke erwünscht sein, die mehrere Schichten durchsetzenden Fasern in einem von der Senkrechten auf die Schichtebenen abweichenden Winkel anzuordnen. In den meisten Fällen wird man jedoch die Schichten senkrecht zu den Schlohtebenen durchstechen.

Patentansprüche: 109827/1128 - 7 - *

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Claims

- 7 - 8· Dezember I967

Patentansprüche:

1. Kohlenstoffkörper mit Schichten aus Kohlenstoffasern und einer Bindemittel-Matrix aus Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Kohlenstoffasern aus einer Schicht bis mindestens in die nächste hineinreichen.

2. Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoffkörpers nach Anspruch 1, bei dem in an sich bekannter Weise Schichten aus verkohlbaren Pasern aufeinandergelegt und verkohlt oder Schichten aus Kohlenstoffasern aufeinandergelegt werden

und die Schichten darauf mit einem verkohlbaren Binde- -

mittel getränkt werden und das Bindemittel aushärten gelassen und dann durch Erhitzen verkohlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufeinanderlegen der Schichten und vor dem Aushärten des Bindemittels die Schichten mit mindestens einer mit mindestens einem Haken versehenen Nadel in einem Winkel zu den Schichtebenen durchstochen werden,

j5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einer Schicht bis mindestens in die nächste hineinreichenden Fasern mindestens teilweise von außen her mittels der Nadel beim Durchstechen der Schichten in diese eingebracht werden. |

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnete daß das Durchstechen der Schichten durch eine Schüttung der genannten Fasern hindurch erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten im wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen durchstochen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Durchstechen der Schichten und vor dem Aushärten des Bindemittels weitere Schichten aufgelegt werden und einschließlich zumindest der angrenzenden bereits durchstochenen Schicht durchstochen werden.

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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß Schichten verwendet werden, die aus einem Gewebe aus
Kohlenstoffasern bestehen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten dadurch erzeugt und aufeinandergelegt werden, daß die Kohlenstoffasern einzeln oder in Form eines Bandes
oder Garns auf einen Dorn aufgewickelt werden.

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