DE19625492C1 - Hochsteifes Faserverbundbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hochsteifes Faserverbundbauteil mit in Lastrichtung geringer Wärmeleitfähigkeit nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Es sind Wärmeisolierungen bekannt (DE 41 43 387 C2, DE 41 33 416 C2, DE 35 31 751 A1), die aus einzelnen Fasermatten oder Lamellen, z. B. aus Steinwolle, hergestellt sind. Derartige Wärmeisolierungen besitzen jedoch eine geringe Laststabilität und sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Hingegen müssen hochsteife Bauteile geringer Wärmeleitfähigkeit, wie sie nach dem Stand der Technik, etwa der DE 29 03 787 zur Aufhängung von Cryogen-Tanks an Bord von Forschungssatelliten Verwendung finden, die vor allem in der Startphase hohen Tanklasten sicher und verformungsfrei an die Satellitenstruktur übertragen und zugleich einen niedrigen Wärmeleitwert und geringe Querschnitte in Richtung des Temperaturgradienten besitzen, da der Cryogen-Verbrauch und damit die Operationsdauer der Satelliten we­ sentlich vom Wärmezustrom zum Cryogen-Tank abhängen. Derartige Bau­ teile bestehen daher zumeist aus Faserverbundwerkstoff mit einer in Last­ richtung unidirektionalen Langfaserstruktur und einer wärmedämmenden Bettungsmasse, und zwar im Temperaturbereich oberhalb von ca. 50°K, also etwa der Flüssigstickstofftemperatur, aus Glasfaserverbunden, bei denen die Wärmeleitfähigkeit in Faserlängsrichtung etwa gleich niedrig wie die der Bettungsmasse ist; Der Elastizitätsmodul von hochmoduligen Langfaser­ strukturen, z. B. solchen mit der Handelsbezeichnung M40J, M50J oder M60J, liegt zwar um ein vielfaches, nämlich etwa 5-, und bei Höchstmodul-Carbon-Faserstrukturen, etwa solchen mit der Handelsbezeichnung K13, sogar 8- bis 12fach höher als bei Glasfaserverbunden, jedoch ist demge­ genüber auch ihr Wärmeleitwert in diesem Temperaturbereich überpropor­ tional, nämlich etwa um das 50fache, erhöht, so daß sie den Glasfaserver­ bunden hinsichtlich der Wärmedämmwirkung bei gleicher Bauteilsteifigkeit deutlich unterlegen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es im Vergleich zu einem Glasfaserverbundbauteil im an­ gegebenen Temperaturbereich (oberhalb von etwa 50°K) einen, bezogen auf den Elastizitätsmodul, signifikant verringerten Wärmeleitwert besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Faserverbundbauteil gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die gezielten Unterbrechungen der Langfaser­ struktur bewußt eine Verschlechterung der spezifischen Steifigkeit in Faser­ längsrichtung in Kauf genommen. Der besondere Effekt dieser Maßnahme besteht darin, daß sich auf diese Weise bei einem Hochmodulfaserverbund mit einer relativ geringen Steifigkeitseinbuße der Wärmeleitwiderstand ganz erheblich steigern läßt. Die Ursache dafür ist, daß die Bettungsmasse an den Trennstellen zwischen den Faserenden Wärmebarrieren bildet, die in ihrer Gesamtheit den Wärmedurchgang der Hochmodulfaserstruktur maßgeblich reduzieren, während gleichzeitig der Elastizitätsmodul in Faser­ längsrichtung aufgrund der sich überlappenden Anordnung und schub­ festen Verkoppelung der Faserenden nur in vergleichsweise geringem Ausmaß beeinträchtigt wird und immer noch weit über demjenigen niedrig­ moduliger Langfaserverbunde liegt. Durch die Kombination einer unter­ brochenen Faserstruktur in Verbindung mit einem Hochmodulfasersystem und einer sich überlappenden Faseranordnung ergibt sich somit ein Bauteil, das hinsichtlich Wärmedämmung sowie Steifigkeit und Festigkeit extremen Anforderungen genügt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung lassen sich die mechanischen und thermischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauteils auf einfache Weise durch die gewählte Verteilungsdichte der Trennstellen in der Hochmodulfaserstruktur beeinflussen und auf den jeweiligen Anwen­ dungsfall und die entsprechende hochmodulige Fasersorte abstimmen. So kann, wie gemäß Anspruch 2 bevorzugt, der Faserverbund aus relativ lang geschnittenen Hochmodulfasern mit diskret verteilten Trennstellen auf­ gebaut sein, wodurch der hohe Elastizitätsmodul der ungeschnittenen Hochmodulfaserstruktur weitgehend, nämlich etwa zu 70%, erhalten bleibt, allerdings auch der Wärmeleitwert zwar um ein Vielfaches stärker verringert, aber immer noch nicht auf denjenigen der reinen Bettungsmasse gesenkt wird. Um dem zu begegnen, enthält die Faserverbundstruktur gemäß Anspruch 3 vorzugsweise eine zumindest im Bereich der Trenn­ stellen erhöht wärmedämmende Bettungsmasse. Eine hierbei herstellungs­ mäßig besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht gemäß Anspruch 4 darin, daß das Bauteil aus einzelnen, jeweils mit einer durch­ gehend unidirektionalen Hochmodul-Faserstruktur versehenen, in Faser­ längsrichtung hintereinander und quer dazu trennstellenversetzt angeord­ neten Faserverbundsegmenten aufgebaut ist.

Andererseits ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Wärme­ leitwert unter Beibehalt eines immer noch hohen Elastizitätsmoduls dem­ jenigen der reinen Bettungsmasse dadurch weitgehend anzugleichen, daß die Faserstruktur gemäß Anspruch 5 aus gerichteten Hochmodul-Kurz­ fasern aufgebaut ist. In diesem Fall erreicht die spezifische Steifigkeit etwa 50% des trennstellenfreien Unidirektionalverbunds und liegt damit ca. zwei- bis viermal so hoch wie bei niedrigmoduligen Langfaserlaminaten.

Gemäß Anspruch 6 besteht der Faserverbund vorzugsweise aus Hoch- oder Höchstmodul-Carbonfasern.

Um nicht nur in Richtung der unterbrochenen Hochmodulfasern, sondern auch in weiteren Richtungen einen hohen Elastizitätsmodul und dadurch gewünschtenfalls eine quasi-isotrope Steifigkeitsverteilung zu erhalten, empfiehlt es sich nach Anspruch 7, die Faserstruktur zusätzlich aus Faser­ anteilen mit einer bezüglich der Wärmeleitrichtung schräg und/oder senk­ recht verlaufenden Faserrichtung zu versehen. Diese zusätzlichen Faser­ anteile bewirken, da sie quer zur Wärmestromrichtung verlaufen, keine nennenswerte Erhöhung des Wärmedurchgangs in Richtung des Tempera­ turgradienten und können daher ohne weiteres aus trennstellenfreien Lang­ fasern bestehen.

Gemäß Anspruch 8 schließlich wird das erfindungsgemäße Bauteil, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zur Aufhängung eines Cryogentanks im Temperaturbereich oberhalb von 50°K verwendet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Ver­ bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schema­ tisierter Darstellung:

Fig. 1 eine Aufhängevorrichtung für einen Cryogentank an Bord eines Forschungssatelliten in perspektivischer Darstel­ lung;

Fig. 2 ein Lastübertragungselement der Aufhängevorrichtung nach Fig. 1 in Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten Faserverbundschlaufe;

Fig. 3 eine stark vergrößerte Teildarstellung der Faserstruktur des Lastübertragungselements nach Fig. 2;

Fig. 4 eine modifizierte Ausführungsform der Faserstruktur nach Fig. 3 in ebenfalls vergrößertem Maßstab; und

Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsbeispiele eines Faserverbundbauteils nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist ein toroidförmiger, mit Flüssighelium gefüllter Cryogen­ tank 2 über eine insgesamt mit 4 bezeichnete Aufhängevorrichtung koaxial in einem zylindrischen Außenbehälter 6 an Bord eines Forschungssatelliten aufgehängt. Die Aufhängevorrichtung 4 besteht aus einem oberen und einem unteren, jeweils fachwerkartig aus Zug- und Druckstäben 8 zusam­ mengesetzten Rechteckrahmen 10.1 bzw. 10.2 und unter Vorspannung zwischen den jeweiligen Eckpunkten der Rechteckrahmen 10 und dem Außenbehälter 6 schräg verlaufenden Zugbändern 12.

Die einzelnen Bauelemente der Aufhängevorrichtung 4 müssen eine hohe Steifigkeit und Festigkeit und zugleich eine sehr niedrige Wärmeleit­ fähigkeit besitzen, um den Cryogentank 2, vor allem in der Startphase, sicher und exakt mit dem Außenbehälter 6 zu verkoppeln und den Wärme­ zustrom und damit die Flüssigheliumverluste während der Operationsdauer des Cryogentanks 2 möglichst klein zu halten. Zu diesem Zweck sind die Lastübertragungselemente 8, 12 der Aufhängevorrichtung 4 aus Faserver­ bundwerkstoff hergestellt. Allerdings nimmt die Wärmeleitfähigkeit von unidirektionalen Langfaserverbundwerkstoffen in Faserlängsrichtung mit steigender Temperatur zu, und zwar umso steiler, je höher der Elasti­ zitätsmodul der verwendeten Fasersorte ist. Aus diesem Grund besitzen die Faserverbundbauteile der Aufhängevorrichtung 4 im Bereich oberhalb von ca. 50°K, also etwa zwischen Flüssigstickstofftemperatur und Umgebungs­ temperatur, einen Faserlaminataufbau, wie er nachfolgend anhand eines doppelschlaufenförmigen Einzelelements 14 (Fig. 2) der Zugbänder 12 erläutert wird.

Das Doppelschlaufenelement 14 ist mehrteilig aus den Schlaufenteilen 16 und den mit diesen großflächig verklebten und/oder mechanisch verkop­ pelten z. B. verschraubten Verbindungsteilen 18 zusammengefügt, und die Teile 16 und 18 bestehen jeweils aus einem Hoch- oder Höchstmodul-Carbonfaserverbund mit einer gut wärmedämmenden Bettungsmasse, etwa Epoxydharz und einer in Lastrichtung unidirektionalen Faserorientierung. Während jedoch der Faserverbund an den Schlaufenteilen 16 aus durch­ gehenden Langfasern aufgebaut ist, sind die Fasern an den Verbindungs­ teilen 18 in Faserlängsrichtung mehrfach unterbrochen und zueinander trennstellenversetzt angeordnet, wie dies im einzelnen aus Fig. 3 ersichtlich ist. Demgemäß besteht die Faserstruktur aus kurzgeschnittenen, unidirek­ tional gerichteten Carbonfasern 20, an deren Trennstellen 22 durch die Bettungsmasse 24 jeweils Wärmebarrieren gebildet werden, wodurch der Wärmeleitkoeffizient der Faserstruktur in Faserlängsrichtung signifikant abgesenkt und demjenigen der reinen Bettungsmasse 24 angenähert wird. Da die Faserenden von den angrenzenden, durch die Bettungsmasse 24 schubfest angebundenen Faserstücken 20 überbrückt werden, bleibt der Elastizitätsmodul der Faserstruktur zu mehr als 50% erhalten und sinkt jedenfalls weit weniger als der Wärmeleitkoeffizient. Infolgedessen besitzt der Faserverbund eine, bezogen auf die Steifigkeit und Festigkeit, sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit.

Die Trennstellendichte, d. h. die Länge der einzelnen Faserstücke 20, kann natürlich je nach Anwendungsfall unterschiedlich gewählt werden. Selbst bei einer ungerichteten Kurzfaser-Hochmodulstruktur ergibt sich immer noch eine spezifische Steifigkeit in Faserlängsrichtung von etwa 30% während der Wärmeleitkoeffizient im wesentlichen demjenigen der reinen Bettungsmasse 24 entspricht.

Eine alternative unidirektionale Hochmodul-Faserstruktur, die aus länger geschnittenen Hochmodul-Faserstücken 26 mit diskreten Trennstellen 28 aufgebaut ist, ist in Fig. 4 dargestellt. Demgemäß sind die Faserstücke 26 zu einzelnen, unidirektionalen Faserbündeln 30 zusammengefaßt, die in Faserlängsrichtung hintereinander und quer dazu trennstellenversetzt ge­ schichtet sind, wobei die mit der schwach wärmeleitenden Bettungsmasse 32 ausgefüllten Trennstellen 28 wiederum als Wärmebarrieren wirken und der Faserverbund aufgrund der geringeren Trennstellendichte, die sich aus der größeren Länge der Faserstücke 26 ergibt, in Verbindung mit der trennstellenversetzten Anordnung der Faserbündel 30 eine sehr hohe Steifigkeit in Faserlängsrichtung behält, die bei ca. 70% des ununter­ brochenen Hochmodul-Langfaserverbunds liegt, also je nach Fasersorte etwa zwischen 150 und 450 kN/mm². Zur Erhöhung des Wärmeleit­ widerstandes können zwischen den Faserbündelenden zusätzlich ther­ mische Isolationselemente (nicht gezeigt) eingelegt sein, die die wärme­ dämmende Wirkung der Bettungsmasse 32 an den Trennstellen 28 ver­ stärken.

Muß das Bauteil nicht nur in Richtung des niedrigen Wärmeleitwertes, sondern auch in anderen Richtungen eine hohe Steifigkeit besitzen, so wer­ den, wie in Fig. 5 gezeigt, dem Faserlaminat 34, welches eine in Richtung des geforderten, niedrigen Wärmeleitwertes unidirektionale, durchbrochene Faserstruktur a nach den Fig. 3 oder 4 besitzt, weitere Hochmodul-Faser­ anteile 36 zugegeben, die aus durchgehenden, senkrecht oder schräg zur Faserorientierung des Faserlaminats 34 verlaufenden Langfasern (Faser­ struktur b) aufgebaut sind. Durch die Langfaseranteile 36 ergibt sich ein wesentlich höherer Elastizitätsmodul des Bauteils in Richtung der Lang­ faserorientierung, während der Wärmeleitwiderstand zwar in Langfaser­ richtung absinkt, in Richtung des geforderten, niedrigen Wärmeleitwertes, also in Richtung des durchbrochenen Faserlaminats 34, jedoch im wesent­ lichen unverändert hoch bleibt.

Das Bauteil nach Fig. 6 ist ähnlich aufgebaut, enthält aber noch weitere Hochmodul-Faserschichten 38 mit einer senkrecht zur Faserrichtung des Faserlaminats 34 verlaufenden Faserorientierung und einer den Fig. 3 und 4 entsprechend unterbrochenen Faserstruktur c. Hieraus ergibt sich ein quasi-isotroper Elastizitätsmodul und eine sehr hohe Wärmedämmung des Bauteils in den Faserrichtungen a und c.

Claims (8)

1. Hochsteifes Faserverbundbauteil mit in Lastrichtung geringer Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff aus in Faserlängsrichtung mehrfach durchtrennten, an den Trennstellen (22; 28) einander überlappenden Hochmodul-Faserstücken (20; 26) aufgebaut ist.

2. Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverbundwerkstoff aus in Wärmeleitrichtung gerichteten Langfasern (26) mit diskret verteilten Trennstellen (28) aufgebaut ist.

3. Faserverbundbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstruktur eine zumindest im Bereich der Trennstellen (28) erhöht wärmedämmende Bettungsmasse (32) enthält.

4. Faserverbundbauteil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einzelnen, mit einer durchgehend unidirektionalen Hochmodul-Faserstruktur versehenen, in Faserlängsrichtung hinter­ einander und quer dazu trennstellenversetzt angeordneten Faserver­ bundsegmenten (Faserbündel 30) aufgebaut ist.

5. Faserverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstruktur aus in Wärmeleitrichtung gerichteten Hochmodul-Kurzfasern (20) aufgebaut ist.

6. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstruktur aus Hoch- oder Höchstmodul-Carbon­ fasern (20; 26) besteht.

7. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbundstruktur zusätzlich Faseranteile (36) mit bezüglich der Wärmeleitrichtung schräg und/oder senkrecht verlaufender Faserrichtung besitzt.

8. Faserverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung zur Aufhängung eines Cryogentanks (2) im Tempera­ turbereich von mehr als 50°K.