DE2049292A1

DE2049292A1 - Verbessertes Ganz-Kohlenstoff-Verbundgefüge

Info

Publication number: DE2049292A1
Application number: DE19702049292
Authority: DE
Inventors: Raymond George Raleigh N. C. Spain (V.StA.). P C04b 35-00
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1969-10-08
Filing date: 1970-10-07
Publication date: 1972-03-09
Also published as: DE2065818A1; DE2049292B2; GB1311537A; BE757208A; FR2065134A5; CA1012016A

Description

DR. BERG DIPPING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2. HILBLESTRASSS SO

Dr. »erg Dlpl.-Ing. Stapf, I München 3. Hllblwlret« 28

Ihr Zeichen

Ihr Schreiben

Unier Zeichen 20

Da·«« 7.Oktober 1970

Anwaltsakten-Nr. 20 044

Monsanto Company St. L ou is, Missouri/USA

"Verbessertes Ganz-Kohlenstoff-Verbundgefüge"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verbundgefüge mit verbesserter Festigkeit und Oxydationsresistenz in den peripheren Bereichen desselben und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Insbesondere betrifft die Erfindung ein im wesentlichen planares Ganz-Kohlenstoff-Verbundgefüg!

mit verbesserter Festigkeit und Oxydationsresistenz in denj

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peripheren Bereichen desselben und ein Verfahren zur Her- · stellung desselben.

Im Hinblick auf das erhöhte Fassungsvermögen und die vergrößerten Landegeschwindigkeiten moderner Luftfahrzeuge wurde viel Wert auf die Entwicklung überlegener Bremsen zur Herabsetzung der Flugzeugbewegung gelegt. Luftfahrzeuge verwenden gewöhnlich Scheibenbrerasen, deren Funktion in hohem Maße der Pedal-betätigten Fahrradbremse ähnelt und die au3 einem Stapel von abwechselnd angeordneten Rotoren und Statoren bestehen. Die Rotoren und Statoren, die mit sKeilnuten versehene Urafangsbereiche aufweisen, sind mit Rad bzw. Achse verbunden. Wenn die Teile zusammengepreßt werden, wird die Flugzeugbewegung im Hinblick auf die Reibungskraft der Reibungselemente, welche zviischen oder gegenüber von Rotor und Statoren befestigt oder angebracht sind, erniedrigt. Gleichzeitig wird eine große Energiemenge in Form von Wärme in Freiheit gesetzt und es erfolgt in den mit Keilnuten versehenen Bereichen der Rotoren und Statoren eine hohe Beanspruchung. Die Keilnuten sind gewöhnlich entlang der äußeren Peripherie des Rotors und der inneren Peripherie des Stators angebracht.

Die Entwicklungen der Gegenwart stellen verschiedenartige Materialien in den Brennpunkt, welchem sowohl der mechanischen

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Beanspruchung und den schädlichen Wirkungen, die durch die Hitzeerzeugung bewirkt werden, widerstehen. Ein Material, das große Hoffnungen erweckte, ist ein Ganz-Kohlenstoff-Verbundmaterial. Neueste Absehätzungen haben jedoch gezeigt, daß die infcerlaminare Festigkeit von Scheiben, basierend auf geschichtetem Kohlenstoff- oder Graphitgewebe, noch nicht völlig zufriedenstellend ist, insbesondere in den mit Keilnuten versehenen Bereichen dieser Scheiben. Neben Versagen durch Bruch besitzen derartige Scheiben auch noch die Tendenz, wegen Deland nierung in dem mit Keilnuten versehenen Bereich zu versagen.

Ein verbessertes Gefüge sieht ein im wesentlichen planarea Verbundgefüge ganz aus Kohlenstoff vor, das unter Bedingungen verwendet werden kann, welche die peripheren Bereiche desselben hohen Beanspruchungen unterwerfen. Dementsprechend umfaßt dae planare Gefüge Kohlenstoff-Fasern in einer "kohlenstoffhaltigen Matrix". Die "Matrix" ist als Bestand- -, teil des Verbundes definiert, der die anderen Verbundelemente, wie z.B. faserverstärkende Komponenten, umgibt, und der als zementierendes Medium fungiert oder fungiert hat. Die Fasern sind im wesentlichen endlos und in den peripheren Bereichen den hohen Beanspruchungen unterworfen und sie weiseieine "geordnete Richtung" auf, die im wesentlichen der ümfangs*· kontur des planaren Gefüges folgt. Ein derartiges Gefüge

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weist eine stark verbesserte Belastungskapazität entlang der Ebene des planaren Gefüges auf und besitzt ebenso eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Delaminierung.

Der Ausdruck "geordnete Richtung" soll sich auf die allgemeine Orientierung der Fasern beziehen. Obwohl die Pasern einander kreuzen, erstreckt sich die allgemeine und vorherrschende Richtung der Pasern entlang der Peripherie-Kontur des planaren Gefüges. Der Ausdruck planares Gefüge selbst' bedeutet, daß diejenigen Gefüge umfaßt werden, welche eine Dimension der Dicke entlang einer Linie, senkrecht zu den größeren oder planaren Oberflächen darauf aufweisen, welche klein ist im Vergleich mit den Querdimensionen quer über die Flächen oder die größeren Oberflächen; Der Ausdruck Peripherie wird in seiner allgemeinsten Bedeutung angewandt. Das heißt, es ist der Umfang oder der Umkreis einer planaren Struktur. Im Falle von spezifischen planaren Gefügen, wie z.B. von ringförmigen planaren Scheiben, werden sowohl der äußere als auch der innere Umfang als Peripherie bezeichnet.

τ·.
Ein unerwünschtes Merkmal von Kohlenstoff-Verbundstoffen ist deren mangelhafte Fähigkeit, einer Oxydation bei hohen Arbeitstemperaturen, wie sie beim Arbeiten derartiger Verbundstoffe ale Luftfahrzeug-Scheibenbremsen auftreten können, zu widerstehen. Es werden Temperaturen in einer Höhe von

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76O⁰C (14OO°F) sehr oft erreicht, wenn ein modernes Flugzeug landet und seine Geschwindigkeit herabsetzt. Diejenigen Teile der Luftfahrzeug-Scheibenbremsen, welche der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt sind, erleiden oft einen-oxydativen Abbau. Im allgemeinen sind die mit Keilnuten versehenen Bereiche die exponierten Teile einer Scheibe, da die Reibungsbereiche in innigem Kontakt mit Reibungsbereichen von anderen Bremsscheiben stehen. Ein oxydativer Abbau bei diesen hohen Arbeitstemperaturen führt zu einer schwächenden Abnutzung der Keilnuten, welche den hohen, beim Abbremsen des Luftfahrzeuges erzeugten Beanspruchungen Widerstand leisten müssen.

Ls ist daher ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Ganz-Kohlenstoff-Verbundgefüge zu schaffen, das eine erhöhte Oxydationsresistenz in den peripheren Bereichen desselben aufweist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die Oberfläche der im wesentlichen aus einem Ganz-Kohlenstoff-Gefüge-bestehenden Bremsscheibe außerhalb des für Reibungszwecke verwendeten Bereiches mit einem überzug eines Materials oder von Materialien versehen, welche in Gegenwart von Sauerstoff im wesentlichen inert und im wesentlichen Sauerstoff-undurchlässig sind und die Schmelzpunkte aufweisen,

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die höher als 7ßO°C (IiJOO⁰P) sind.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden weiter unten durch die Patentansprüche umrissen. Die Erfindung selbst .kann zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen derselben am besten durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert werden. In diesen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 schematisch im Axialschnitt ein typisches Luftfahrzeugbremssystem.

Pig. 2 zeigt in Ansicht ein Ganz-Eohlenstoff-Verbund-Material-Rotorelement.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Rotorelementes von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt in Ansicht ein Statorelement mit einem Gefüge in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotorelementes mit einem Schutzüberzug.

In Fig. 1, welche einen vereinfachten Luftfahrzeugbremsaufbau erläutert, wird eine Horizontal-Axe IO gezeigt, auf welcher ein Rad 11 in geeigneter Weise mittels Walzenlager 12 (von denen lediglich eines gezeigt wird) gelagert ist. Der Bremsaufbau-Teil umfaßt (I) eine Vielzahl von ring-

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scheibenförmigen Rotorteilen 13, itfelche zum Rad 11 zu über das Teil 14 mit Keilen oder Keilnuten versehen sind und (II) eine Vielzahl von ringscheibenförmigen Statorteilen 15, welche zur stationären Axe 10 zu über das Teil mit Keilen oder Keilnuten versehen sind.

Jeder der Rotorteile 13 und Statorteile 15 ist mit einem Paar Rot or-Reibungs element en 17 und Stator-Reibungselementen l8 versehen.

Die Elemente 17 bzw. 18 sind gegenüber den gegenüberliegenden Seiten der Rotoren 13 und der Statoren 14 angebracht, welche der Reihe nach dazu bestimmt sind, gegen die Rückplatte 19 durch einen hydraulisch betätigten Druckmechanisnius oder eine andere geeignete Vorrichtung (nicht gezeigt) gedruckt zu werden.

Pi^. 2 ist eine Ansicht eines Rotor-Reibungselementes 20, das in der in Fig. 1 erläuterten Vorrichtung verwendet werden kann. Das Rotor-Reibungselement 20 ist eine Ringscheibe r.iit sechs Keilnuten 21 entlang des äußeren Umfangs oder der Peripherie derselben. Die Keilnuten 21 bewirken eine Verbindung des Elementes 20 an das Rad 11 vermittels der Axe 10 (wie in Fig.l gezeigt).

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O U

Wenn die Bremsanordnung, von der das Rotor~Reibungseler,:ent 20 einen Teil darstellt, betätigt wird, wird das Element dicht gegen ein benachbartes Stator-Reibungselement zur .Urzeugung der Reibungskraft gepreßt, die zur Herabsetzung der Rotationsgeschwindigkeit des Rades und dementsprechend des Luftfahrzeuges benötigt wird. Das Iteibungsflächen-Gebiet liegt innerhalb des Bereiches, der durch die Fußdurchi.iesser der Keilnuten 21 eingeschlossen wird. Dementsprechend werden, da die Antriebskraft (vgl. Bezugszeichen 22) in einer tangentialen Ricntung zum Element 20 und die Reibungskraft (vgl. Bezugszeichen 23) in der entgegengesetzten Richtung wirkt, große Kräfte in dem Bereich der Keilnuten 21 entwickelt.

Es ist daher ein zwingendes Gebot, daß das Reibungselement 20 Materialien umfaßt, welche fähig sind, den in der Scheibe entwickelten Kräften zu widerstehen.

Das Rotor-Reibungselement 20 besteht im wesentlichen aus einem Ganz-Kohlenstoff-Verbundmaterial, das endlose Kohlenstoff- oder Graphitfasern (der Ausdruck Kohlenstoff wird in der Beschreibung als Sammelbezeichnung für beides verwendet) in einer kohlenstoffhaltigen Matrix einschließt. Zur besseren Erläuterung der faserigen Natur des Elementes 20 sind die Fasern darin mittels ausgezogener, dicker Linien stark übertrieben gezeichnet. Die Kohlenstoff-Fasern, zumindest in den, den Keilnuten 21 benachbarten Bereichen,

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weisen eine geordnete Richtung auf, welche der Kontur der mit Keilnuten versehenen Peripherie des Elementes 20 folgt. Die Faserkontinuität und die gekennzeichnete, geordnete Richtung sorgen für eine erhöhte Festigkeit ira "Vergleich zu ähnlichen Elementen, die mit laminaren, oder mit Nurijtapelfasern-enthaltenden Verbundmaterialien ausgeführt wurden. Wie weiter unten erklärt wird, kreuzt sich der kontinuierliche Paserverlauf im Hinblick auf die in der Fabrikation verwendete Wickeltecnnik. Das Kreuzen stellt sicher, daß unter Belastung keine Delaminierung wie in geschichteten Gefügen auftritt.

Zur besseren Erläuterung der geordneten Richtung der kontinuierlichen Kohlenstoff-Fasern wird ein Rotorelement 20 in perspektivischer Ansicht in Fig. 3 gezeigt. Zur besseren übersicntlichkeit wurde wurde die Kohlenstoff-Faser in den Bereicuen, die nicht in der Nähe der Peripherie des Elementes 20 liegen, nicht eingezeichnet. Es ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Kohlenstoff-Faser im wesentlichen der Kontur des Rotors 20 folgt und ebenso bei vielen Lagen überkreuzt verlauf t .

Fi_c-j· 4 ist eine Erläuterung eines Stator-Reibungselementes 30, aas ebenso in der Bremsanordnung von Fig. 1 verwendet werden kann, //ie aus Fig. 4 zu ersehen ist, stellt das Element 30

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BAD

eine ringförmige Scheihe dar, die sechs Keilnuten 31 ,aufweist, welche an der inneren Peripherie derselben angeordnet sind.Es ist selbstverständlich, daß die Anzahl der Keilnuten lediglich eine Sache der VJahl ist. Die Konstruktion von Element 30 steht im Einklang mit einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher die kontinuierlichen Pasern lediglich in dem Bereich 32 in der Nachbarschaft der Keilnuten 3'1 verwendet werden. Die verbleibenden, von den Keilnuten 31 entfernt liegenden Bereiche liegen in anderen Faseranordnungen vor, wie z.B. als statistisch orientiertes Verbundmaterial aus kurzfaserigen Kohlenstoff-Stapelfasern. V/ie oben erstrecken sich die kontinuierlichen Pasern um die Keilnuten 31 in einer geordneten Richtung, welche im wesentlichen der Kontur der mit Keilnuten versehenen_s inneren Peripherie folgt und hierdurch diese Bereiche gegenüber Belastungen verstärkt.

Wie bereits oben festgestellt, können die Statoren und Rotoren allein die zur Herabsetzung der Geschwindigkeit des Luftfahrzeuges erforderliche Reibung erzeugen, oder es können Reibungselenente dazwischen eingefügt sein. Wahlweise kann eine Reibungsfläche auf beide Ziemente in den "Reibungsbereicnen", die in. Falle der Rotoren innerhalb des mit Keilnuten versehenen Dereiches und in; Falle der Statoren außerhalb des mit Keilnuten, versehenen Bereiches liefen,

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; BADORKSiNAL

aufgebracht v/erden. Beispielsweise kann der in Fi₀, 4 mit äeiu BeZU^gzeichen 33 bezeichnete Bereich rät einer Vertiefung verseilen und anschließend mit einen geeigneten Reibungs-]üaterial₃ das ein von de & Kohlenstoff-Verbundmaterial ver~ scaiednes Re ibungs verhalt en (d.h., einen verschiedenen Reibungskoeffizienten) besitzt, aufgefüllt werden.

Ls sei ferner bemerkt, daß die als Matrix verwendeten Materialien irgendein kohlenstoffhaltiges Material sein können oder ein Material, das einen kohlenstoffhaltigen Rückstand nach Aiochteinperatur-Pyrolyse ergibt. Ein Beispiel für ein derartiges Matrix-Material ist ein Phenolharz mit einem Gehalt an darin dispergierten Kohlenstoff- oder Graphit-Teilchen. _;

Wie oben bereits erwähnt, v/erden Temperaturen von 760 C-(IJlOO⁰F) und darüber in Bremsen von Luftfahrzeugen unter Arbeitsbedingungen oftmals erreicht. Bei diesen Temperaturen sind die aus Kohlenstoff-Verbunänaterialien hergestellten Rotor- und Stator-Bremselemente einem oxydativen Abbau oder einer Alterung (deterioration) unterworfen, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt sind. Die exponierten, mit Keilnuten versehenen Bereiche werden besonders nachteilig beeinflußt, ii.i Gegensatz zu den Reibungsbereichen, die beim Betätigen der Bremse in einen im wesentlichen luftdichten, innigen

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Kontakt zueinander gebracht werden, insofern als es notwendig ist, daß die mit Keilnuten versehenen Bereiche ausreichenu fest ausgelegt sind, um den hohen Beanspruchungen, die sie während des BremsVorganges erleiden, zu widerstehen, ist es von allerhöchster Bedeutung, daß diese Dereiche von den die Festigkeit herabsetzenden Oxydationswirkun^en geschützt werden. .

Fig. 5 erläutert in perspektivischer Ansicht eine Ganz-Kohlenstoff-Verbund-Rotorscheibe 40 (ähnlich derjenigen, die in Fig. 2 gezeigt wird), welche einen dünnen Überzug 41 aus einem oxydationsverzögernden liaterial innerhalb der mit Keilnuten versehenen Bereiche darauf aufgetragen enthält. Der Überzug 4l bewirkt eine Verzögerung des oxydativen Abbaues des Kohlenstoff-Verbundes. Es sei bemerkt, daß alle Flächen innerhalb der mit Keilnuten versehenen Bereiche, mit dem Überzug 41 überzogen sind einschließlich derjenigen Flächen innerhalb des Schlitzes 42. Es wird jedoch vorgezogen, daß die Oberflächenbereiche (erläutert durch das Bezugszeichen 43), welche reibend mit den benachbarten Oberflächen in Kontakt stehen, frei vom Überzug 41 sind, um so sicherzustellen, daß die gewünschten Reibungscharakteristikn unverändert vorhanden sind.

Es ist erforderlich, daß der auf eine Rotor- oder otator-

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,' ' ;_; ; ο CAg _BAD ORfGfNAlT

Scheibe aufgebrachte Überzug iiii wesentlichen undurchlässig für oauerstoff ist. Die Undurchlässi_okeit des Überzugs hän.^b von einer Reihe von Faktoren ab, wie z.ö. von der Jafcur das Überzuges, seiner Dicke und seiner Porosität. Jie uatur des Materials acnlieJot physikalische i^i_oenschaften oia₃ .wie z.l>. Diffusionsfähigkeit und sie wird geregelt durch die Auswahl des zu verwendenden Materials. Andererseits werden Dicke und Porosität in einem gewissen Ausmaß durch die Art und V/eise geregelt, in welcher das Material auf das Element aufgebracht wird.

Zusätzlich sollte das überzuösraaterial in Anwesenheit von Atmosphäre unter BremsbetriebsbedinoUngen im wesentlichen, inert sein» Da eine wesentliche Anzahl von Materialien in einer Umgebung, ähnlich derjenigen der Bremsscheiben, in geringem Umfang Reaktionen eingehen, sollen unter im wesentlichen inerten Materialien solche verstanden werden, die in Form eines aufgetragenen Überzuges das gewünschte Resultat liefern, d.h., eine Verzögerung des oxydativen Abbaues der Kohlenstoff-Hotor- und -Stator-Scheiben für eine koranerziell annehmbare Zeit, auch wenn eine gewisse Reaktion stattfinden ua.^.

iioch eins andere erforderlicne eigenschaft des überzugsliiateriala besteht darin, daß es fähi^ sein muß, die ^e-

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_; "BAD ORIGINAL

wünschte Wirkungsweise bei den hohen Tei.peraturstufen au gewährleisten. Dementsprechend sollte das zu verwendende riaterial einen hohen Llchi.valspunkt haben, d.h., dieser Höher als etwa T'jC C (14Oü !■') 3ein oder es sollt 3 wahl'./ei.το in der b^escnIll°l^zenen -Phdse eine ausreichend aohi Viskosität besitzen, um einen ■iaterialüberzuj aufrechtzuerhalten.

Die Dicke der überzUoösc.iicht hän^t in erster Linie von den physikalischen Eigenschaften des oder der verwendeten iaterialien ab. Es wurde jeaoch gefunden, daß eine Dicke von 50,3 bis 38I μ (2 bis 15 nils) vorzuziehen ist.

Eine andere wünschenswerte. Eigenschaft für die als Sctiutzü&erzü&e wrwencieten Materialien ist die Dukfeilität,. Der Reibungsfeoatatet zwischen den toenäetoilarten Scheiben infolge der Betätigung der Brensvorrichtung, bewirkt, daß sieh die mit Keilnuten versehenen Bereiche plötzlich, gegen die zugehörigen Keile auf der Radaxe und uem stationären ¥erdrehrohr zu bewegen. Bin spröder Überzug auf den mit Keilnuten' versehenen Bereichen würde leieht abplataen und bei der plötzlichen Berührung brechen. Daher ist es notwendig, daß das für dde Schutzüberzüge verwendete Material eine £,e Duktilität besitzt, um einen wiederholten Bremsvorgang auszuhalten.

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SAD ORIQlNAt

Obwohl uie Ueoi.ietrie der ocaeiben eine b-euerkenswerte i..Cf;e_oun_b uor überzüge auf den öcneiben verhindert," wird e;i jeuoca vor_ueso₀en, daß der Juerzuo so aufbaurächt wird, dai- er eriiS ^an der Geneibe anlieft. -<.~*ίη ^erin^er Unterscnied in uoii Ausuehnuii(_,skoeffizienten kann bewirken, daß bei eraüater Temperatur Zvrischenrüuh.e zwischen dor ochicht und uer scheibe auftreten. Die Atmosphäre hat in diese ZwischenrJ'Ui..o leiciiten Zuf_;an_u und beviirkt eine unerwünschte Oxydation dea ..ohlenstof f-Verbundmaterials. ^s ist iw ninblick auf das Vorstehenue klar, daß es vmnschenswert ist, die Ausdehnungskoeffizienten aneinander anzugleichen. Der Ausdehnungskoeffizient des .vohlenstoff-Verbundmaterials hän_ut von einer Keine von Faktoren ab, viie z.6. von der Baserorientierunc, der taserkonzentration und dem Grad der Graphitisierun_G. Iia allgemeinen ist der Bereich der Ausdehnungskoeffizienten etwa von 1 bis 5 y- 10 (InCiIeSZInChZ⁰C). ^s ^ibt eine Anzanl von ^ei_vJneten Materialien, deren Ausdehnungskoeffizient in diesen ijereich fällt oder benachbarte 'Werte aufweist, und die als überzug vervjendet werden können. Unter derartigen /lateriaiien befinden sich Chrom und,IIetalIoxyde wie Tonerde.

XLS ist jedoch nicht erforderlich, den überzug auf ein Material zu beschränken, beispielsweise kann eine Vielzahl von verschiedenartigen Materialien für die Herstellung von abgestuften "überzügen verwendet werden, die eine Vielzahl von

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BAD OWGrtNAL

UnterbeSchichtungen umfassen. Ein abgestufter überzug .ist besonders in deru Fall attraktiv, wo man die Ausdehnungskoeffizienten des Überzugs und.des Kohlenstoff-Verbundmaterials eng zueinander passend zu machen.wünscht, jedoch lassen die verfügbaren Materialien mit passenden Ausdehnungskoeffizienten in ihrer Wirkung jenseits annehmbarer Grenzen im Hinblick auf die Oxydation nach. Die Anfangs- oder innere Unterschicht gemäß dieser Technik hat nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Kohlenstoff-Verbundmaterial. Die nach außen zu darauf folgenden Unterschichten des Verbuncimaterials haben Ausdehnungskoeffizienten, die größer sind als die Ausdehnungskoeffizienten der benachbarten inneren Unterschichten, die jedoch eng zu den Ausdehnungskoeffizienten der benachbarten, inneren Unterschichten passen. Die äußere Unterschicht ist notwendigerweise im wesentlichen nicht reaktiv gegenüber Sauerstoff bei den während des I3,remsvorganges erreichten, erhöhten Temperaturen. Dementsprechend sind die Lücken oder Zwischenräume im wesentlichen eliminiert, welche normalerweise bei der Verwendung einer einzelnen Materialschicht auftreten, welche einen beträchtlich größeren Ausdehnungskoeffizienten als den des Kohlenstoff-Verbundmaterials hat. Die inneren Unterschichten und das Kohlenstoff -Verbundmaterial sind zusammen gegen Oxydation geschützt .

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Ein Beispiel eines !-!aterials, das einen passenden Ausdehnungs koeffizienten besitzt, das jedoch leicht durch Sauerstoff aribQo^iffen wird, ist Molybdän. Wickel ist andererseits oxydationsresistent, hat jedoch einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 15 x 10 (incn/inch/°C), der wesentlich größer ist als der des Kohlenstoff-Verbundmaterials. Durch Verwendung einer Vielzahl von dazwischenliegenden Unterschichten, wie z.B. von Nickel- und Molybdän-Legierungen, kann ein abgestufter überzug mit den oben beschriebenen,, wünschenswerten Eigenschaften hergestellt werden.

jjs ist einzusehen, daß jedes Material bzw. Materialien, welche die oben beschriebenen eigenschaften besitzen, für eine Verwendung als überzug über die Oberfläcne des Kohlen-3 t off-Verb ungefüges geeignet sind. Es wurde gefunden, daß eine repräsentative Gruppe von geeigneten Materialien die Metalle'sind,- wobei die Metall-Elemente, deren Legierungen und intermetallische Verbindungen eingeschlossen sind, beispiele von geeigneten Metallen sind Chrom, Kupfer, Gold, Silber, Titan und Zirkon.

andere Gruppe von geeigneten Materialien sind keramische Stoffe, wie z.B. Tonerde, Beryllerde, Kieselerde, Zirkon erde, Borcarbid und Molybdändisilicid. Keramische Materialien sind hier als irgendeine Klasse von anorganischen, nicht-

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metallischen Produkten definiert, welche typischerweise, jedoch nicht ausschließlich, Metalloxyde, Boride, Carbide, Nitride und Mischungen oder Verbindungen derartiger Materialien einschließen. Gewisse Metalloide, wie z.B. JJor und Silicium, sind ebenfalls als Beschichtungsmaterial geeignet.

Es gibt eine Vielzahl von Wegen, durch v;elche die überzüge auf die Scheiben aufgebracht v/erden können, wie z.B. durch Elektroplattieren, Zerstäuben und Flammspritzen. Vielleicht am meisten vorzuziehen ist eine Technik, die als Lichtbogen-Plasma-Sprühen bekannt ist, und die zur Ablagerung einer Vielzahl von verschiedenartigen ilaterialien verwendet v/erden kann. Da der Lichtbogen-Plasma-Generator ein inertes oder nichtoxydierendes Gas (gewöhnlich Argon, Helium oder Stickstoff) zur Ausbildung eines Plasmastrahles verwendet, kann ein weiter Bereich von Zubereitungen in die Plasmadüse zum geregelten Schmelzen und zur Ablagerung als Schicht auf den nichtmaskierten Bereichen, d.h., auf den mit Keilnuten versehenen Bereichen der Xohlenstoff-Verbundmaterial-Scheibe injiziert werden.

Hoch eine andere Technik, die üblicherweise ^::Glasieren" genannt wird, kann angewandt werden. Zum Beispiel kann Kieselerde oder Silicium in einer organischen Bindemittel-Lösung auf die mit Keilnuten versehenen Bereiche der Scheibe auf-

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gebracht werden. Indem man die Scheibe auf Temperaturen höher als den Schmelzpunkt der Kieselerde in einer inerten ■Atmosphäre bringt, schmilzt die Kieselerde, wohingegen das organische Jindei.iittel abgebrannt vrird. Der überzug oder die Glasur aus Kieselerde bildet dann über den i:dt Keilnuten versehenen Bereichen der Scheibe die Schutzschicht.

Zur weiteren Erläuterung der .Jotwendi.^keit einer Verhinderung der Oxydation des im wesentlichen Ganz-Kohlenstoff-Verbund-L.aterials wird nun bazu^ auf die folgenden beiden Beispiele ^.enormien. in Vielehen ein unbeschichtetes und beschichtetes Segment einer Verbundmaterial-Breiusscheibe hohen Temperaturen unterworfen wird.

Be is ρ i el

juin unbeschiclitetes Sclent einer Verbundinaterial-Breiusscheibe des früher beschriebenen iyps wurde i;enau gewogen und in einem elektrisch beheizten Ofen bei einer Temperatur von 371°O (IuOO⁰F) Behalten. Die Verweiliaeit in dem Ofen Viar 1 Stunde. Anscnliefuend an den Aufenthalt des Breinsscheiben-6e_oi"uentes in der Ofenatmosphäre wurde dieses entfernt und auf Kauir.tenperatur abkühlen _oelassen, viorauf das Breii-sscheiben-Setoment wiederuru ^enau zur Bestimmung des Gewichtsverlustes gewogen wurde. Der prozentuale Gewichts-

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verlust wurde rait l8,l'o bestimmt. Dieses Beispiel ζ ei fet das Ausmaß des Gewichtsverlustes, dein die Kohlenstoff-Verbundmaterial-Bremsscheiben während ihrer Verwendung im Hinblick auf die Oxydation unterworfen sind.

Beispiel 2

Ein weiteres-'Segment, das von der Bremsscheibe, die in Beispiel 1 verwendet wurde, stammte und in wesentlichen die gleichen Dimensionen aufwies, wurde mit einem Metallüberzug durch galvanische Abscheidung von Wickel auf der Kohlenstoffoberfläche in Abwesenheit eines Kupferschlags (copper strike) versehen.

Vor dem Aufbringen der liickelschicht wurde das jiremsscheiben-Segment in Trichloräthylen gereinigt und anschließend ii-Vakuum gebürstet , um eine Fett- und Teilchen-freie Oberfläche sicherzustellen. Das gereinigte Bremsscheiben-oe^ucnt wurde daraufhin sofort als Kathode in einem Standard-Galvanisierungsbad geschaltet. Das Galvanisierungsbad wurde auf einem p^-Wert von 4 und einer Temperatur von 5^ C (130 Γ) bei einer Stromdichte von annähernd 130 Ampere/iv (12 amperes per quare foot) des Segmentoberflächengebietes während der Galvanisierungsverweilzeit von 15,5 Stunden gehalten.

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Die Untersuchung der plattierten Probe ergab, daß sie einen matten überzug von annähernd 25^ U (10 mils) Dicke besaßt

Anschließend an das galvanische Auftragen wurde das Segment genau gewogen und anschließend in den elektrischen Ofen von Beispiel 1 placiert, wo es für die Dauer 1 Stunde bei 871 C (1οϋ0^οί) behandelt wurde. Das der hohen Temperatur ausgesetzte Segment wurde anschließend aus deω Ofen entfernt, auf Zimmertemperatur abkühlen gelassen und wiederum genau gewogen, wobei der berechnete Gewichtsverlust des beschichteten bedientes zu 0,717= bestimmt wurde, was eine erhebliche Verringerung infolge der Anwesenheit der riet alls chi ent bedeutet.

sorgfältige Prüfung des, der hohen Temperatur ausgesetzten Überzuges zeigte die Abwesenheit irgendwelcher Oberflächen-Unvollkommenheiten noch irgendeine Tendenz zur Delaminierun_o oder Absplitterungserscheinungen zwischen dera Ilickelüberzug und- dem Kohlenstoff sub st rat.

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Claims

Patenbansprüche

f 1Λ Im wesentlichen Ganz-Kohlenstoff-Verbundmaterial-.Ringscheibe aus Kohlenstoff-Fasern in einer kohlenstoffhaltigen Matrix, die mit Keilnuten arc inneren oder äußeren Umfang versehen ist, und worin die Kohlenstofffasern im wesentlichen kontinuierlicn sind und in einer Richtun_o verlaufen, die hauptsächlich der Kontur des Umfan^ss folgt, gekennzeichnet durch einen Materialüberzug auf der Oberfläche der Scheiben in den Keilnuten aufweisenden Bereichen, wobei der Materialüberzu>_, dadurch gekennzeichnet ist, daß er in Gegenwart von Sauerstoff im wesentlichen inert ist, einen Schmelzpunkt höher als etwa 76O⁰C (140O⁰F) aufweist und im wesentlichen undurchlässig für einen Durchhang von Sauerstoff durch den überzug ist, und worin der .Materialüberzug aus Metallen, Metalloiden und/oder Keramik besteht.
2. Scneibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug aus Chrom, Kupfer, Gold, Nickel, Silber, Titan, Zirkon, Tonerde, Beryllerde, Borcarbid, ;lolybdändisilicid₃ Kieselerde, Zirkonerde, Bor^und/oder Silicium besteht.
3. Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der annähernd der gleiche ist wie der Ausdehnungskoeffizient

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- 23 des Gajiz-Kohlenstoff-Verbundmaterials.
4. Verbesserte Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Überzug eine Vielzahl von Unterschichten einschließt, in welchen die zur Scheibe benachbarte Unterschicht einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der annähernd dem Ausdehnungskoeffizienten des Kohlenstoff-Verbundmaterials gleich ist und in welcher die äußere Unterschicht in Gegenwart von Sauerstoff im wesentlichen inert und undurchlässig für einen Durchgang von Sauerstoff ist.
5. Im wesentlichen Ganz-Kohlenstoff-Verbundgefüge, dadurch gekennzeichnet, daß es wesentlich planar ist, im Bereich der Peripherie starken Belastungen ausgesetzt ist und in einer kohlenstoffhaltigen Matrix Kohlenstoffasern aufweist, die im Bereich der Peripherie wesentlich kontinuierlich und in eine Richtung gerichtet sind, die der Form der Peripherie des planaren Gebildes folgt.

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