DE1923622C3 - Use of carbon fibers to reinforce plastics - Google Patents

Use of carbon fibers to reinforce plastics

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DE1923622C3 DE1923622A DE1923622A DE1923622C3 DE 1923622 C3 DE1923622 C3 DE 1923622C3 DE 1923622 A DE1923622 A DE 1923622A DE 1923622 A DE1923622 A DE 1923622A DE 1923622 C3 DE1923622 C3 DE 1923622C3
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Description

und die Verwendung derartiger Kohlenstoffasern als Die Erfindung besteht in der Verwendung von and the use of such carbon fibers as The invention consists in the use of

Verstärkungseinlagerung in Matrix-Kunstharze, wo- Kohlenstofffaser;,, die aus einem Polyacrylnitrilpoly- «hirch Verbundwerkstoffe hoher Festigkeit und wei- 45 mi;ren oder -copolymeren in Faserform durch eine tcrer vorteilhafter Eigenschaften erhalten werden, zweistufige Wärmebehandlung erhalten <ind, bei weltind bekannt. Im einzelnen ist aus der französischen eher die Polyacrylnitrilfasern zunächst in eir.er sauer-Patentschrift 1 430 803 die Herstellung von Kohlen- stoffhaltigen Atmosphäre auf eine Temperatur im stoffasern hoher Festigkeit durch Wärmcbehand- Bereich von 150 bis 300° C erwärmt und sodann in lung von Polyacrylnitrilfasern bekannt, bei welcher 50 einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur im die Polyacrylnitrilfasern zuerst bei 200 bis 250' C Bereich von 900 bis 1200° C erhitzt werden, zum einer oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt und an- Verstärken von Kunststoffen.Reinforcement embedding in matrix synthetic resins, where carbon fibers are obtained from a polyacrylonitrile poly- hirch composite materials of high strength and other fibers or copolymers in fiber form due to more advantageous properties, two-stage heat treatment is obtained at worldind known. In particular, the polyacrylonitrile is first heated in eir.er acidic Patent 1,430,803 the production of carbon-containing atmosphere to a temperature in cloth fibers of high strength by Wärmcbehand- range of 150 to 300 ° C and from the French rather then in development of Polyacrylonitrile fibers are known in which 50 an inert atmosphere to a temperature in the polyacrylonitrile fibers are first heated at 200 to 250 ° C range from 900 to 1200 ° C, exposed to an oxidizing atmosphere and to reinforce plastics.

schließend die Fasern unter nichtoxydierenden Be- Der Erfindung lietg die überraschende Erkenntnisfinally the fibers under non-oxidizing layers. The invention provides the surprising finding

dingungen oberhalb 1000° C karbonisiert werden. zugrunde, daß sich eine sehr gute Verbundfestigkeit Zur Erzielung besonders guter Eigenschaften des 55 erzielen läßt, wenn man die Temperatur des crwähn-Külllenstoffasermaterials ist nach der Karbonisic- ten abschließenden Graphitierungs-Wärmebehand- rungs-Wärrnebehandlung oberhalb 1000° C eine wei- lungssehritts verringert oder diese abschließende Gratere Graphitierungs-Wärmebehandlung bei Tempe- phitierungs-Wärmebehandlung ganz entfallen läßt, raturen oberhalb 2000° C vorgesehen, wodurch be- Auf diese Weise werden diejenigen Eigenschaften, sonders hohe Werte der Festigkeit und des Elastizi- 60 welche von der Festigkeit des Verbunds zwischen dem tätsmoduls erzielt werden. In der französischen Pa- Fasermaterial und dem Trägerharz abhängen, ganz tentschrift 1430 803 ist auch auf die Verwendung erheblich verbessert, während die übrigen Eigenderartiger Kohlenstoffasern als Verstärkungsmate- schäften Werte behalten, weiche für die beabsichtigrial für Polyester-, Epoxy- und anderweitige Träger- ten Verwendungszwecke mehr als ausreichen. Wennkunstharze, in welche die Kunststoffasern eingebet- 65 gleich dies eine gewisse Verringerung des Werts des tet werden, hingewiesen. Youngschen Moduls mit sich bringt, so behält dieser conditions above 1000 ° C are carbonized. It is based on the fact that a very good bond strength can be achieved in order to achieve particularly good properties of the 55 if the temperature of the crwähn-Külllenstoffasermaterials is after the carbonization final graphitization heat treatment heat treatment above 1000 ° C or a widening step This final graphitization heat treatment with tempering heat treatment can be completely omitted, temperatures above 2000 ° C are provided, whereby those properties, especially high values of strength and elasticity, which depend on the strength of the composite, are achieved can be achieved between the module. In the French fiber material and the carrier resin depend, quite tentschrift 1430 803 is also considerably improved on the use, while the other properties of such carbon fibers as reinforcing materials retain values which are intended for polyester, epoxy and other carriers Uses more than sufficient. If synthetic resins, in which the synthetic fibers are embedded, this is a certain reduction in the value of the tet, pointed out. Young's module brings with it, it retains

Es ist auch bekannt, daß die Qualität derartiger doch einen über dem Wert vergleichbarer Werkstoffe durch Einlagerung von Kohlenstoffasern in Träger- liegenden Wertv und die Verbesserung der Torsions- It is also known that the quality of such materials has a value v which is above the value of comparable materials due to the incorporation of carbon fibers in the carrier and the improvement in the torsion resistance.

i 923 622i 923 622

und Biegefestigkeit bewirkt, daß der so erhaltene Werkstoff wesentlich besser speziell auf die Bedürfnisse und Erfordernisse beispielsweise von Flugzeugtriebwerks-Aufbauten zugeschnitten ist. Dies gilt be- »onders für Gebläseschaufeln u. dgl,, für welche das geringe Gewicht und der hohe Wert des Yoimgschen Moduls derartige Verbundwerkstoffe attraktiv ericheinen lassen, wobei jedoch im Hinblick auf Anprall von Vögeln und aerodynamische Erfordernisse eine gute Biege- und Verbundfestigkeit erforderlich ist.and flexural strength has the effect that the material obtained in this way is specially tailored to the needs and requirements of, for example, aircraft engine superstructures. This applies to »Onders for fan blades and the like, for which the low weight and high value of the Yoimgschen Modules make such composite materials attractive, but with a view to bird impact and aerodynamic requirements good flexural and bond strength is required.

Diese die Erfindung tragende Erkenntnis, daß sich durch die Beschränkung auf unterhalb der hohen Graphitierungstemperaturen liegende Behandlungstemperaturen eine wesentliche Verbesserung der Verbundfestigkeit zwischen den Verstärkungsfasern und dem Trägerkunststoff und als Folge hiervon eine wecsntliche Verbesserung der erwähnten verschiedenen Materialeigenschaften erzielen läßt, war unerwartet und für den Fachmann überraschend. Denn, wie bereits erwähnt, lag es für die Herstellung derartiger Verbundwerkstoffe nahe, so vorzugehen, daß die einzelne Verstärkungsfaser als solche mit optimalen Eigenschaften (hinsichtlich Zugfestigkeit und Elastizitäts-Modul) erhalten wird, da dies gleichzeitig optimale Eigenschaften für den Verbundwerkstoff als ganzen erwarten ließ. Unerwartet war es, daß eine Verfahrensweise bei der Herstellung, die nicht optimale Eigenschaften der Einzelfasern (nämlich nicht ganz optimale Werte des Elastizitätsmoduls und der Zugfestigkeit) in Kauf nimmt, eine wesentlich höhere Festigkeit des Verbunds der Verstär ungsfasern mit dem Trägerkunststoff und dadurch bedingt wesentliche Verbesserungen der Materialeigenschaften des Verbundwerkstoffs als solchen erbringt. This finding, which supports the invention, that by restricting the treatment temperatures to below the high graphitization temperatures, a substantial improvement in the bond strength between the reinforcing fibers and the carrier plastic and, as a result, a substantial improvement in the various material properties mentioned, can be achieved, was unexpected and surprising to the person skilled in the art . Because, as already mentioned, for the production of such composite materials it was obvious to proceed in such a way that the individual reinforcing fibers are obtained as such with optimal properties (with regard to tensile strength and modulus of elasticity), since this at the same time led to the expectation of optimal properties for the composite material as a whole . It was unexpected that a manufacturing procedure which does not accept the optimal properties of the individual fibers (namely the less than optimal values of the modulus of elasticity and tensile strength) would result in a significantly higher strength of the bond between the reinforcement fibers and the carrier plastic and, as a result, significant improvements the material properties of the composite material as such.

Vorzugsweise werden die Fasern nach dem zweiten Verfahrensschritt in Folienform aufgelegt, und diese Folien sodann zur Bildung des Verbundwerkstoffs aufgelegt.Preferably, after the second process step, the fibers are applied in film form, and these foils are then applied to form the composite material.

Das Trägerharz kann auf die Fasern aufgebracht werden, bevor diese zu Folien ausgelegt werden, wobei die Folien sodann teilweise ausgehärtet werden, um ihre Handhabung zu erleichtern; die teilweise ausgehärteten Folien werden sodann aufgelegt, kompaktiert und schließlich zur Bildung des Verbundstoffs vollständig ausgehärtet.The carrier resin can be applied to the fibers before they are laid out to form films, wherein the foils are then partially cured to facilitate handling; the partially Cured foils are then placed on top, compacted and finally to form the composite fully cured.

Die Imprägnierung der Folien mit dem Trägerharz kann durch Aufsprühen oder Eintauchen erfolgen.The films can be impregnated with the carrier resin by spraying or immersion.

Als Trägerharz kann ein Epoxy-Novolac-Harz in Verbindung mit einem Bortrifluorid enthaltenden latenten katalytisch wirkenden Härter verwendet werden. Alternativ können je nach den für den fertigen Verbundwerkstoff gewünschten verschiedenen Eigenschaften auch anderweitige Harzsysteme verwendet werden.An epoxy novolac resin in Compound with a boron trifluoride-containing latent catalytically active hardener used will. Alternatively, different ones can be used depending on those desired for the finished composite Properties other resin systems can also be used.

In den folgenden Beispielen werden Werkstoffe, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, mit ähnlichen Werkstoffen verglichen, welche einer »Graphitierung« unterworfen wurden und daher nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen. In the following examples, materials that are produced by the method according to the invention are compared with similar materials that have been subjected to "graphitization" and therefore do not correspond to the present invention.

Für den erfindungsgemäß hergestellten Werkstoff wurde das Fasermaterial in der Weise erzeugt, daß man eine Faser aus »Courtellee-Polyacrylnitril (PAN)-Kopolymer von 1Vt Denier auf einen Rahmen wickelt, das PAN in Luft 7 Stunden lang auf einer Temperatur von 220° C voroxydiert und sodann die Faser in einer inerten Atmosphäre während einer Zeitdauer von etwa 4 Stunden auf eine Temperatur von 1000° C erhitzt For the material produced according to the invention, the fiber material was produced in such a way that a fiber made of Courtellee polyacrylonitrile (PAN) copolymer of 1Vt denier is wound onto a frame, the PAN is pre-oxidized in air at a temperature of 220 ° C. for 7 hours and then heating the fiber in an inert atmosphere to a temperature of 1000 ° C for a period of about 4 hours

Die erhaltene Faser wird zur Herstellung von Materialfolien von dem Rahmen abgeschnitten; die Folien werden sodann mit einer Lösung von Epoxy- Novolac-Harz (im beschriebenen speziellen Beispiel wurde CIBA LY 558 verwendet) mit einem latenten katalytisch wirkenden Bortrifluorid-Härter (im speziellen Beispielsfall wurde Shell Chemicals BF3 · 400The fiber obtained is cut from the frame for the production of material foils; the foils are then coated with a solution of epoxy novolac resin (in the specific example described, CIBA LY 558 was used) with a latent catalytically active boron trifluoride hardener (in the specific example, Shell Chemicals BF 3 x 400

ίο verwendet) besprüht. Die so erhaltenen Folien wurden getrocknet und durch Erwärmen auf eine Temperatur von 80° C in Luft teilweise ausgehärtet, um die Handhabung zu erleichtern.ίο used) sprayed. The films thus obtained were dried and partially cured by heating to a temperature of 80 ° C. in air to facilitate handling.

Zur Herstellung von Gegenständen aus den FolienFor the production of objects from the foils

und speziell zur Herstellung der für die Testung der Materialeigenschaften dieses Werkstoffs erforderlichen Prüflinge werden mehrere mit Harz: imprägnierte Folien bis zum Erreichen der erforderlichen Dicke so aufeinandergelegt, daß sämtliche Fasern and especially for the production of the test specimens required for testing the material properties of this material , several resin-impregnated foils are placed on top of one another until the required thickness is reached, so that all fibers

ao parallel laufen; sodann werden die aufeinandergeschichteten Folien mit einem Druck von einigen 28 kg/cm5 in einer Presse kompaktiert und gleichzeitig 10 Minuten lang auf 165 C erwärmt; danach werden die Folien aus der Presse entnommen und in einem Ofen vier Stuis den lang bei 180J C zur vollständigen Aushärtung des Harzes nachgehärtet. Der ausgehärtete Gegenstand wird sodann, falls erforderlich, zur Herstellung des benötigten Prüflings oder zu anderweitiger Formgebung bearbeitet.ao run in parallel; Then the stacked foils are compacted in a press with a pressure of a few 28 kg / cm 5 and at the same time heated to 165 ° C. for 10 minutes; then the foils are removed from the press and post-cured in an oven four Stuis the long at 180 J C to completely harden the resin. The cured object is then processed, if necessary, to produce the required test specimen or to shape it in some other way.

Zur Herstellung des nicht gemäß der Erfindung ausgebildeten Vergleichswerkstoffes wurde von der gleichen Ausgangsfaser ausgegangen, die in der gleichen Weise auf einen Rahmen gewickelt war. Die Faser wurde sodann in ähnlicher Weise, wie oben be-To produce the comparative material not designed according to the invention, from assumed the same output fiber wound on a frame in the same way. the Fiber was then processed in a manner similar to that described above.

3s schrieben, wärmebehandelt, jedoch wurde sie in diesem Fall nach der bei 1000" C vor sich gehenden »Karbonisierung« in einen Kochteniperaturofen gebracht und in einer inerten Atmosphäre etwa 5 Stunden lang bei 1750° C »graphitierte. Sodann wurde3s wrote, heat treated, but it was in In this case, after the "carbonization" which took place at 1000 "C, it was placed in a boiling temperature oven and graphitized in an inert atmosphere for about 5 hours at 1750 ° C. Then became

4ü die Faser aus dem Ofen entnommen und in genau der gleichen Weise, wie oben für das erfindungsgemäße Material beschrieben, zu Gegenständen verarbeitet. 4ü the fiber removed from the oven and in exactly processed into objects in the same way as described above for the material according to the invention.

Weiter unten sind die Ergebnisse der an WerkstofT-prüflingen vorgenannten Tests angegeben. In den nachfolgenden Tabellen bedeutet dabei jeweils Werkstoff A den gemäß der Erfindung hergestellten Werkstoff, während der Werkstoff B der nicht gemäß der Erfindung hergestellte Werkstoff ist. Zu beachten ist, daß in sämtlichen Fällen der Fasergehalt in Volumprozent angegeben ist; dieser Volum-Anteil hängt hauptsächlich vom Abstand der Fasern in den Folien ab, die zur Herstellung der Gegenstände übereinandergelegt werden; die Werkstoffeigenschaften zeigen eine Abhängigkeit von diesem Volumanteil. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der »Kleinstab-Scherfestigkeit« (»short beam shear strength«) der Werkstoffe. Zur Gewinnung dieser Ergebnisse wurde ein Standardprüfling mit den Abmessungen (16,5 ± 0,25 mm) · (6,35 ± 0,127 mm) · (1,524 ± 0,025 mm) auf zwei in einem Abstand von 1,525 cm angeordneten Walzen von 0,635 cm Durchmesser angeordnet und unter der Wirkung einer in gleichem Abstand zwischen diesen Walzen angeordneten ähnlichen The results of the aforementioned tests on material test items are given below. In the tables below, material A means the material produced according to the invention, while material B is the material not produced according to the invention. It should be noted that in all cases the fiber content is given in percent by volume; this volume fraction depends mainly on the spacing of the fibers in the foils that are placed on top of one another to produce the objects; the material properties show a dependency on this volume fraction. Table 1 shows a comparison of the “ short beam shear strength” of the materials. To obtain these results, a standard test specimen with the dimensions (16.5 ± 0.25 mm) x (6.35 ± 0.127 mm) x (1.524 ± 0.025 mm) was placed on two rollers with a diameter of 0.635 cm, which were arranged at a distance of 1.525 cm arranged and under the action of a similar one equally spaced between these rollers

6s Walze verformt. Die Anordnung war so getroffen, daß die Fasern in Richtung der Längsachse des Prüflings lagen. Es herrscht allgemein Übereinstimmung darüber, daß die Bruchfestigkeit aus einem derartigen6s roller deformed. The arrangement was made that the fibers lay in the direction of the longitudinal axis of the test specimen. There is general agreement about the fact that the breaking strength from such a

Test in Beziehung zu der interlaminaren Scherfestigkeit gesetzt werden kann, und bei Werkstoffen der hier in Frage stehenden Art ergibt dies eine gute Anzeige für die Verbundfestigkeit zwischen der Faser und dem Träger- oder Matrixmaterial.Test can be related to the interlaminar shear strength, and for materials of the In the type in question, this gives a good indication of the bond strength between the fibers and the carrier or matrix material.

Tabelle I
Kleinstab-Scherfestigkeit (in kg/cm2)
Table I.
Small bar shear strength (in kg / cm 2 )

Werkstoff AMaterial A Werkstoff AMaterial A Werkstoff BMaterial B Werkstoff BMaterial B 55 °/o Faser55% fiber 67 67 'It 'It Faserfiber 50 »/« Faser50 »/« fiber 60 «/ο Faser60 «/ ο fiber 613,01613.01 323,38323.38 224,25224.25 140,00140.00 420,04420.04 331.11331.11 201,05201.05 153,25153.25 423,48423.48 331,82331.82 231,28231.28 153,95153.95 485,98485.98 335,33335.33 198,24198.24 165,20165.20 589,18589.18 334,62334.62 215,11215.11 170,12170.12 586,37586.37 337,44337.44 233,39233.39 171.53171.53 583,70583.70 338,14338.14 221,44221.44 172,23172.23 550,37550.37 352,90352.90 232,69232.69 174,34174.34 575,68575.68 366,26366.26 233,3t/233.3t / 185.59185.59 500,53500.53 373,29373.29 234.80234.80 620,74620.74 376,10376.10 224,96224.96 586,09586.09 397,19397.19 224,25224.25 400,00400.00 409,84409.84 428,12428.12 435,86435.86 450,62450.62 471,01471.01 496,69496.69

Werkstoff AMaterial A Werkstoff BMaterial B 65·/· Faser65 · / · fiber 60 »/.Faser60 »/. Fiber 92,13 · 10«92.13 · 10 « 61,42 · 10«61.42 · 10 « 93,^ · 10*93, ^ · 10 * 62,52 · 10«62.52 · 10 « 96,86 · ΙΟ«96.86 · ΙΟ « 64,10 · 10«64.10 · 10 « 99,69 · 10*99.69 · 10 * 65,36 · 10*65.36 · 10 * 103,47 · 10*103.47 · 10 * 67,72 · 10*67.72 · 10 * 103,79 · 102 103.79 · 10 2 68,04 · 10«68.04 · 10 « 100,80 · 10*100.80 · 10 * 72,45 · 10*72.45 · 10 * 76.38 · 10«76.38 · 10 «

Auch hier ist wiederum im Fall des erfindungsgemäßen Werkstoffs A eine Erhöhung um etwa 5O°/o festzustellen; die Faservolumenanteile sind ;.war verschieden, aber praktisch nicht nennenswert, da die Streuung bei jeglicher WerkstoSherstellung wahrscheinlich den Unterschied von 5°/o überdecken würde.Here, too, is again in the case of the invention Material A an increase of about 50% determine; the fiber volume fractions are; .was different, but practically negligible because the Scatter in any production of materials likely to cover the difference of 5% would.

In Tabelle TII sind die Werte des Youngschen Moduls (=Elastizitätsmoduls) entlang der Faserrichtung miteinander verglichen, wie sie sich bei Messung mit Standard-Zugversuchen ergeben, sondern Mindestwerte für bestimmte spezielle Faseranteile.Table TII shows the values of Young's modulus (= modulus of elasticity) along the fiber direction compared with each other, as they result when measuring with standard tensile tests, but rather Minimum values for certain special fiber proportions.

Tabelle IIITable III

Mindest-Normalwerte des Elastizitätsmoduls
(in kg/cm2)
Minimum normal values of the modulus of elasticity
(in kg / cm 2 )

Wie ersichtlich, sind die Werte für den erfindungsgemäßen Werkstoff A etwa dreimal so gut wie die für den Werkstoff B, was eine Anzeige dafür ist, daß die Verbundfestigkeit wesentlich verbessert werden konnte. Man erkennt ferner auch, daß die Werte sich in Abhängigkeit von dem Faservolumenanteil beträchtlich ändern und daß diese Änderung zwischen den beiden Werkstoffen unterschiedlich ist. In der Tat darf angenommen werden, daß der erfindungsgemäße Werkstoff ein optimales Faservolumen besitzt, das von dem optimalen Faservolumenanteil des Werkstoffs B nennenswert verschieden ist.As can be seen, the values for material A according to the invention are about three times as good as that for material B, which is an indication that the bond strength is significantly improved could. It can also be seen that the values vary considerably as a function of the fiber volume fraction change and that this change is different between the two materials. In the Indeed, it can be assumed that the material according to the invention has an optimal fiber volume, which is significantly different from the optimal fiber volume fraction of material B.

Tabellen betrifft die endgültige Biegefestigkeit der Werkstoffe, gemessen an einem Stabe der Abmessungen 11,4 · 1,27 · 0,51 cm (Spannweite-Tiefe-Verhältnis = 20) in Dreipunkt-Biegeversuch mit 10,lö cm-Abstand zwischen den Mittelpunkten. Die Faserrichtung verläuft gleichgerichtet entlang Her Längsachse des Stabs.Tables concerns the final flexural strength of the materials, measured on a rod with the dimensions 11.4 x 1.27 x 0.51 cm (span-depth ratio = 20) in a three-point bending test with a distance of 10 cm between the centers. the The direction of the fibers runs in the same direction along the longitudinal axis of the rod.

Tabelle II
Endgültige Biegefestigkeit (in kg/cm2)
Table II
Final flexural strength (in kg / cm 2 )

Werkstoff AMaterial A

Werkstoff FMaterial F

64% Faser 1,209-106
67»/o Faser 1,237 ·10β
72°/o Faser 1,315· 10°
64% fiber 1.209-10 6
67 »/ o fiber 1.237 x 10β
72% fiber 1.315 x 10 °

6O°/o Faser 1.582 -10«6O ° / o fiber 1,582 -10 «

Hinsichtlich dieser speziellen Eigenschaft ist der Werkstoff A nicht ganz so gut wie der Werkstoff B; wie jedoch eingangs erläutert, hat es sich ergeben, daß dies für viele praktische Anwendungen keinen besonders nennenswerten Abiall darstellt und durch die Verbesserung anderer Eigenschaften erheblich aufgewogen wird. (Es sei betont, daß es wegen der Anisotropie des Werkstoffs notwendig ist, jeweils eine Richtung für die betreffende Eigenschaft anzugeben.) With regard to this special property, material A is not quite as good as material B; However, as explained at the outset, it has been found that this does not exist for many practical applications is particularly noteworthy Abiall and considerably through the improvement of other properties is outweighed. (It should be emphasized that it is necessary because of the anisotropy of the material, respectively specify a direction for the property in question.)

Tabelle IV zeigt wiederum Mindest-Normalwerte für die endgültige Zugfestigkeit, nach herkömmlichen Verfahren gemessen.Table IV again shows minimum normal values for final tensile strength, according to conventional ones Procedure measured.

Tabelle IVTable IV

4040 60°/o60 ° / o EndgültigeFinal Zugfestigkeit (inTensile strength (in 60 0/060 0/0 kg/cm2)kg / cm 2 ) 102102 Werkstoff AMaterial A Werkstoff BMaterial B 4545 Faser 110,25Fiber 110.25 • 102 • 10 2 Faser 126Fiber 126

Demgemäß zeigt der erfindungsgemäße Werkstoff eine geringfügige Verringerung der endgültigen Zugfestigkeit. Accordingly, the material of the invention shows a slight reduction in ultimate tensile strength.

In Tabelle V sind typische Werte angegeben, wie sie mit herkömmlichen Standard-Testverfahren für den Youngschen Modul (Elastizitätsmodul) in einer Richtung quer zu den Fasern ermittelt wurden.Table V shows typical values as obtained using standard conventional test methods for Young's modulus (elastic modulus) was determined in a direction transverse to the fibers.

Tabelle VTable V

Elastizitätsmodul in Querrichtung (in kp/cm2)Modulus of elasticity in the transverse direction (in kp / cm 2 )

Werkstoff AMaterial A

65% Faser 9,84 -KH65% fiber 9.84 -KH

Werkstoff BMaterial B

60«/0 Faser 4,92 -60 «/ 0 fiber 4.92 -

Hier deutet sich die verbesserte Verbundfestigkeit durch die Verbesserung dieser Eigenschaft in Richtung quer zu den Fasern um den Faktor 2 an.Here, the improved bond strength through the improvement of this property points in the direction of across the fibers by a factor of 2.

Tabelle VI betrifft den Torsionsmodul der Werkstoffe, wiederum nach herkömmlichen Stand; rdver-Table VI relates to the torsional modulus of the materials, again according to the conventional state; rdver-

fahren gemessen. Die Tabelle zeigt typische Werte dieses Parameters.drive measured. The table shows typical values for this parameter.

Tabelle Vl
Torsionsmodul (in kg/cm2)
Table Vl
Torsional modulus (in kg / cm 2 )

Werkstoff ΛMaterial Λ

fi7°/o Faser 6,046- 16»
72 Vo Faser 6.327- K)1
7% fiber 6.046-16 »
72 Vo fiber 6,327- K) 1

Werkstoff BMaterial B

57 "ο Faser 4,639- K)1 581Vo Faser 4,639- K)1 631Vo Faser 5,272 !()'57 "ο fiber 4,639- K) 1 58 1 Vo fiber 4,639- K) 1 63 1 Vo fiber 5,272! () '

Man erkennt, dal.i eine wesentliche Verbesserung (bis zu 5()"/o) hinsichtlich dieser Materialeigenschalt erreicht wird, die sehr bedeutsam bei Gegenständen wie beispielsweise Schaufeln für Gasturbinentriebwerke ist, welche Torsionskräfte aushalten müssen, die nicht nur infolge von Zentrifugal- und aerodynamischen Druckkräften auftreten, sondern auch und im erhöhten Maße als Folge von Vogelaufprallbelastungen, die um ein Vielfaches größer als die erst erwähnten Ursachen sein können.You can see that there is a significant improvement (up to 5 () "/ o) with regard to this material property is achieved, which is very important in items such as blades for gas turbine engines is what torsional forces have to withstand, not only as a result of centrifugal and aerodynamic Compressive forces occur, but also and to an increased extent as a result of bird impact loads, which can be many times greater than the causes mentioned above.

Aus den vorstehend mitgeteilten Ergebnissen ist klar ersichtlich, daß die Verwendung des crfindungsgemäßen Werkstoffs eine erhebliche Verbesserung in den Gesamteigenschaften erbringt. Selbstverständlich war in den oben wiedergegebenen Prüftests das Trägerharz in allen Fällen das gleiche, und es könnten ohne weiteres auch andere Harze verwendet werden. Es wären dann ebenfalls wiederum bei Vcrwen-It is clear from the results reported above that the use of the inventive Material brings about a significant improvement in the overall properties. Of course In the test tests reported above, the carrier resin was the same in all cases and it could other resins can readily be used. It would then also be

dung des erfiridungsgemäßen Verfahrens besser Eigenschaften zu erwarten, als sie andernfalls mi dem gleichen Harzsystem zu erreichen wären. Λ1 offensichtlich anwendbare Harze kommen andcn Epoxyharze, Polyimidharze sowie weitere Harze ii Frage, je nach den erforderlichen Eigenschaften, wii beispielsweise Lagerfähigkeit, Einfachheit der Her stellung usw.training of the process according to the invention better Properties to be expected than would otherwise be achieved with the same resin system. Λ1 Obviously applicable resins include epoxy resins, polyimide resins and other resins ii Question, depending on the required properties, wii For example, shelf life, ease of manufacture, etc.

Da das Fasermaterial der VVerkstolfe Λ bzw. FJ ciiSince the fiber material of the VVerkstolfe Λ or FJ cii

ίο spezifisches Gewicht von 1,75 bzw. l,80g/cm:l bc sitzt, wurden sich unter Verwendung der betreffender Werkstoffe hergestellte Verbundwerkstoffe bei glei chem Faservolumanteil in ihrem spezifischen Gewich im gleichen Verhältnis wie die spezifischen Gewicht« der Fasern unterscheiden.ίο specific gravity of 1.75 or 1.80g / cm : l bc sits, composite materials produced using the relevant materials with the same fiber volume fraction differ in their specific weight in the same ratio as the specific gravity of the fibers.

Es folgt daraus, daß die spezifischen Eigenschafter eines Verbundwerkstoffs mit Fasern vom erfindungs gemäßen Typ Λ weiter verbessert werden.It follows that the specific properties of a composite material with fibers from fiction according to type Λ can be further improved.

Tatsächlich erschöpfen sich die durch die Erfin dung erzielten Verbesserungen nicht in den vorstehend mitgeteilten Ergebnissen. So zeigen vorläufige Tests, daß sowohl die Druck- und Stoßfestigkci bei Anwendung der Erfindung um etwa 50",O verbessert werden.In fact, the improvements achieved by the invention are not limited to those above reported results. Preliminary tests show that both the pressure and impact resistance improved by about 50 ", 0 using the invention will.

Die ohcn mitgeteilten Ergebnisse beziehen sich aul Fasern, die keinerlei Oberflächenbehandlung zur Verbesserung der Adhäsion zwischen dem Trägerhan und den Fasern erfahren hatten. Selbstverständlicl: können in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zur noch weiteren Verbesserung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffs Verfahren wie etwa beispielsweise Oberflächenätzung Anwendung lindenThe results not reported relate to Fibers that do not have any surface treatment to improve the adhesion between the carrier and experienced the fibers. Of course: can be used in connection with the present invention to further improve the properties of the composite, methods such as for example surface etching application linden

Claims (4)

kunstharze erhaltener Verbundenwerkstoffe, insbe- Patentansprüche: sondere auch deren Scher- und Torsionsfestigkeit, die für mannigfache Anwendungszwecke hoher Bean-Composite materials obtained from synthetic resins, in particular, their shear and torsional strength, which is useful for a wide range of 1. Verwendung von Kohlenstoffasern, die aus spruchung wesentlich sind, entscheidend von der bei einem Polyacrylnitrilpolymeren oder -copoly- 5 der Herstellung des Verbundwerkstoffs erzielbaren meren in Faserform durch eine zweistufige War- Verbundfestigkeit zwischen den eingelagerten Vermebehandlung erhalten sind, bei welcher die Stärkungsfasern und dem Matnx-Kunstharz ab, Polyacrylnitrilfasera zunächst in einer sauer- hängt. Bisher bereitete die Erzielung zufnedenstelstoffhaltigen Atmosphäre auf eine Temperatur im lender Werte dieser Verbundfestigkeit mit den verBereich von 150 bis 300° C erwärmt und sodann iC fügbaren Kohlenstoffwerkstoffen Schwierigkeiten, und in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur es wurden verschiedene Wege zur Lösung diese Proim Bereich von 900 bis 1200° C erhitzt werden, blems untersucht. 1. Use of carbon fibers, which are essential for a polyacrylonitrile polymer or -copoly- 5 of the production of the composite material achievable meren in fiber form through a two-stage War- composite strength between the embedded fusion treatment, in which the reinforcing fibers and the Matnx synthetic resin from, polyacrylonitrile fiber initially in an acid-hangs. Until now, achieving prepared zufnedenstelstoffhaltigen atmosphere to a temperature in the lender values of these bond strength with the verBereich of 150 heated to 300 ° C and then iC fügbaren carbon materials difficulties, and in an inert atmosphere to a temperature, there have been various ways of solving this proim range of 900 are heated up to 1200 ° C, investigated blems. zum Verstärken von Kunststoffen. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daßfor reinforcing plastics. In this context it should be noted that 2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch ge- nach den bisherigen Vorstellungen der Fachwelt als kennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern zur iS Voraussetzung für die Erzielung optimaler Eigen- Einbettung in den Trägerkunststoff in Folienform schäften des Verbundwerkstoffs die Herstellung der ausgelegt werden. einzelnen Kohlenstoffasern mit maximalen Werten 2. Use according to claim 1, characterized ge according to the previous ideas of the professional world as indicates that the carbon fibers are designed for the i S prerequisite for achieving optimal self-embedding in the carrier plastic in film form shafts of the composite material for the manufacture of the. individual carbon fibers with maximum values 3. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gc- der Festigkeit und des Elastizitätsmoduls angesehen kennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern nach wurde. Ausschlaggebend hierfür wiederum wurde für Aufbringen von Kunstharz in Folienform ausge- *o die Herstellung hochfester Kohlenstoffasern ein ablegt werden, wobei zunächst das Kunstharz in schließender sogenannter »Graphitierungs«-Verfahden Folien teilweise ausgehärtet wird und die rensschritt nach der eigentlichen Pyrolyse angesehen, teilweise ausgehärteten Folien zur Bildung des bei welchem die Faser auf eine Temperatur im Befaserverstärkten Kunststoffkörpers geschichtet reich von 1500° C aufwärts erhitzt wird. In Überein- und anschließend zu Ende ausgehärtet werden. 25 Stimmung hiermit ist in der eingangs erwähnten fran-3. Use according to claim 1, characterized in that the strength and the modulus of elasticity are viewed indicates that the carbon fibers were after. The decisive factor for this, in turn, was for Application of synthetic resin in the form of a film made * o the production of high-strength carbon fibers is a drop first, the synthetic resin in a so-called »graphitization« process Foil is partially cured and the pyrolysis is viewed after the actual pyrolysis, partially cured foils for the formation of the fiber in which the fiber is reinforced to a temperature in the fiber Layered plastic body is heated from 1500 ° C upwards. In agreement and then cured to the end. 25 The mood hereby is in the aforementioned French 4. Verwendung nach einem der vorhergehen- zösischen Patentschrift 1 430 803 zur Erzielung von den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als besonders hochwertigen Kohlenstoffasern mit hohen Trägerkunststoff ein Epoxy-Novolac-Harz mit Werten der Festigkeit und des Elastizitätsmoduls die Bortrifluorid als latent katalytisch wirkendem erwähnte Graphitierungswärmebehandlung oberhalb Härter dient. 30 2000n C vorgesehen.4. Use according to one of the previous zösischen patent 1 430 803 to achieve the claims, characterized in that an epoxy novolac resin with values of the strength and the modulus of elasticity mentioned the boron trifluoride as latently catalytically acting as a particularly high quality carbon fibers with high carrier plastic Graphitization heat treatment above hardener is used. 30 2000 n C provided. Der Erfindung liegt als Aufgabe die SchaffungThe object of the invention is to create eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs der eingangs erwähnten Art aus in ein Trägerkunstharz eingelagerten, durch Verkohlung von Kunststoffasern 35 erhaltenen Kohlenstoffasern zugrunde, der auf Grunda fiber-reinforced composite material of the type mentioned at the beginning made of embedded in a synthetic resin, carbon fibers obtained by carbonization of synthetic fibers 35 are based on the due Die Erfindung betrifft die Herstellung von mit einer optimalen, bisher nicht erzielbaren Verbund-Kohlenstoffasern verstärkten Kunststofformkörpern festigkeit zwischen den Verstärkungsfasern und dem Unter Verwendung von durch Wärmebehandlung Träger- oder Matrixkunstharz bei allgemein guten •ines Polyacrylnitrilpolymeren oder -copolymeren in Eigenschaften besonders gute Werte der Scher- und Faserform erhaltenen Kohlenstoffasern. 40 Torsionsfestigkeit besitzt, die für mannigfache An-The invention relates to the production of a perfect, previously achievable composite carbon fiber-reinforced plastic molded strength between the reinforcing fibers and the lower use of heat treatment carrier or matrix resin in generally good • crystalline polyacrylonitrile polymers or copolymers especially good values in properties of shear and carbon fibers obtained in fiber form. 40 has torsional strength, which is necessary for various Die Herstellung von durch Pyrolyse-Verkohlung wendungszwecke hoher Beanspruchung wesentlich *on Kunststoffasern erhaltenen Kohlenstoffasern sind.The manufacture of high stress applications by pyrolysis charring is essential * are carbon fibers obtained from synthetic fibers.
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