DE2229831A1

DE2229831A1 - Verfahren zum herstellen eines kohlenstoff-verbundteils

Info

Publication number: DE2229831A1
Application number: DE2229831A
Authority: DE
Inventors: Norris Alan Hooton
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1971-06-25
Filing date: 1972-06-19
Publication date: 1973-01-11
Also published as: CA977516A; IT959933B; GB1360887A; FR2143124A1

Description

Dr. Ing. H. Negendank Dipl. Ing. H. Hauck - Dipl. Phys. W. Schmitz Dipl. Ing. E. Graalf s - Dipl. Ing. W. Wehnert

S München 2, MozartstraOe 23 Tue liendix Corporation Τ·Ι·ίοη 5380586

Lxecutive Offices

Bendix Center · , _, , , ._{r onrjn}

Anwaltsakte M - 2179

Soutnfielu, :lich. _, , _ _nrtr,_o

_USA .. 14. Juni 1972

Verfahren zum Herstellen eines Fohlenstoff-Verbiindteils

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines kohlenstoff-Verbundteils, und insbesondere eines Kohlenstoff-Verbundteils mit einem bestimmten Paservolumen und einer betimmten Dichte.

Bauteile aus Xohlenstoff-Verbundmaterial haben im Hinblick auf ihr geringes 'u-ewicht und ihre hohe Festigkeit einen großen Anwendungsbereich.)

Ciemaß einem bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile aus Kohlenstoff-Verbundmaterial werden otreifen aus G-raphit-Gewe"be mit einem Bindemittel überzogen, die Streifen bis zum Erreichen der erforderlicuen /.'andstärke übereinander/gestapelt und anschliessend die übereinander/gestapelten Streifen zwecks Aushärtens des Bindemittels erhitzt, so daß sich ein starres bauteil ergibt, woraufhin das Harz karbonisiert und dadurch ein laminiertes Bauteil erhalten wird. Dabei ist es jedoch schwierig, jeden Streifen mit der gleichen

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Bindemittelmenge zu überziehen und außerdem einen gleichförmigen Abstand zwischen benachbarten Schichten sicherzustellen. Infolgedessen besteht das endgültige nohlenstoff-.Bauteil häufig aus einer ungleichmäßigen Rei_he von ^uewebestreifen mit unterschiedlichen Eigenspannungen, die den einzelnen Streifen während der Karbonisation aufgeprägt werden.» Falls außerdem ein derartiges laminiertes Kohlenstoff-Bauteil mit Scherkräften beaufschlagt wird, besteht die Gefahr, daß sich die Streifen voneinander ablösen, da in dem Bereich zwischen den Streifen lediglich ein Materialgefüge ohne Faserverstärkungen vorhanden ist«, Um daher unzulässige Eigenspannungen des auf diese Weise hergestellten kohlenstoff-Bauteils zu unterbinden, wird die Form derartiger Bauteile im allgemeinen auf verhältnismäßig geringe ./andstärken einfacher Gestalt begrenzt_o

Zur Herstellung eines Kohlenstoff-Bauteils mit einer gleichförmigeren Spannungscharakteristik werden nach einem weiteren Verfahren Kohlenstoff-Fäden in zerfaserten Längen ^regellos in eine Form eingebracht und ein Bindemittel mit dem zerfas__erten Kohlenstoff zu einem Verbundmaterial vermischt, und anschließend wird dieses Verbundmaterial karbonisiert und dadurch das Bindemittel zu einem Gefüge umstrukturiert, das den zerfaserten Kohlenstoff festhält. Die Festigkeit des ivohlenstoff-Bauteils ist jedoch weitgehend von.der Länge der zerfaserten Kohlenstoff-Fäden abhängig; größere Festigkeiten werden durch längere Kohlenstoff-Fasern erzielt. i)a die zerfaserten Aohlenstoff-

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ii'äden regellos eingebracht und gemischt werden, lassen
sich zwischen den einzelnen Kohlenstoff-Verbundteilen
keine gleichförmigen, bestimmten Eigenschaften erzielen ο

Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Verbundteils geschaffen werden, das ein bestimmtes Faservolumen und eine bestimmte" Dichte aufweist ο

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Verbundteils ermöglicht die Regulierung der Paserverteilung im gesamten Verbundmaterial₀ Ein Kohlenstoff-Filz wird mit einer Lösung eines in einem flüchtigen organischen Trägerstoff verteilten Harzes überzogene Der Trägerstoff wird durch Trocknen in Luft entfernt _s und der Harzüberzug wird ausgehärtet. Der überzogene Kohlenstoff -Filz wird durch ein Bad gezogen, das Harz und G-raphitpulver in einem flüchtigen Trägerstoff enthält, wodurch der überzogene Kohlenstoff-Pilz mit einer Füllmasse und einem karbonisierbaren Harz getränkt wird» Der flüchtige Trägerstoff wird durch Trocknen entfernt, so daß
eine mit Harz getränkte Kohlenstoff-Pilzmatte entsteht. Aus der getränkten Kohlenstoff-Pilzmatte werden Stücke
vorgegebener geometrischer Gestalt ausgeschnitten und in eine Form gleicher Gestalt eingesetzt» Die Zuschnitte der Kohlenstoff-Pilzmatte werden in der Form unter Druck gesetzt und dadurch das Faservolumen verringert und die

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Dichte erhöht. Die nunmehr verdichtete Kohlenstoff-Matte wird zwecks Aushärtens des Harzes erhitzt und dadurch ein starres Kohlenstoff-Verbundteil gebildete Das Kohlenstoff-Verbundteil wird in eine Inertatmosphäre eingebracht und die Temperatur soweit erhöht, daß das gehärtete Harz karbonisiert. Nach der Karbonisation bildet das Harz ein Gefüge, das die Kohlenstoff-Paser des Filzes in dem nunmehr gebildeten Kohlenstoff-Verbundteil -in gleichförmiger Verteilung mit einem vorgegebenen Faservolumen und einer vorgegebenen Dichte festhält.

Zur Erhöhung der Dichte des Kohlenstoff-Verbundteils kann das Kohlenstoff-Verbundteil in eine Lösung, die ein karbonisierbares Harz enthält, eingebracht und anschließend diese Anordnung zunächst unter Unterdruck gesetzt und anschließend druckbeaufschlagt werden, so daß die Lösung in das Verbundteil gedrückt wird» Das in das Verbundteil gedrückte Harz wird ausgehärtet und karbonisiert und dadurch die Dichte des x.ohlens to ff--Verbundteils erhöht.

Wahlweise oder zusätzlich kann zur weiteren Verdichtung Kohlenstoff auf die Wandflächen von tnnenporen mit Hilfe eines Aufspaltens eines Kohlenwasserstoff-üases aufgedampft werden«

Insgesamt wird also erfindungsgemäß ein Kohlenstoff-Ver-

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bundteil geschaffen, das aus einer Kohlenstoff-Pilzmatte mit einem erwünschten Paservolumen aufgebaut ist, welche mit Hilfe eines karbonisierten Harzgefüges fest in seiner Lage gehaltert wirdο

Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen :

Fig. 1 eine sehematisehe Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Kohlenstoff-Verbundteils mit einem bestimmten Faservolumen und einer bestimmten Dichte;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts 2 der Fig. 1 zur Darstellung des Faservolumens und der xielativdichte einer Kohlenstoff-lilzmatte; ' ■

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts der Fig. 1 zur Darstellung der mit einem karbonisierbaren Harz getränkten Kohlenstoff-"Filzmatte; .",--...

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A der Fig. 1 zur Darstellung einer harzgetränkten Kohlenstoff-Fiizmatte nach ihrer Verformung

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zu einem gewünschten Faservolumen und einer gewünschten Dichte.

Fig. 1 zeigt schematisch eine auf eine Spindel 12 aufgesetzte Rolle aus Kohlenstoff-Filz 10 mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden, gleichförmig auf Abstand gehaltenen Kohlenstoff-Fasern 14 und einer Reihe systematisch quer durchlaufender Kohlenstoff-Fasern 16, die eine Matte bilden (siehe Fig. 2)» Die Kohlenstoff -Filzmatte 10 wird von der Spindel 12 abgewickelt und durch einen ersten lufttrockner 18 geführt. Die Temperatur im Lufttrockner 18 wird bei etwa 200° C gehalten, so daß jegliche Feuchtigkeit, die in der Kohlenstoff-Filzmatte 10 absorbiert sein kann, verdunstet. Die nunmehr getrocknete Kohlens.toff-Filzmatte wird durch ein Leimbad 20 transportiert, wo die Kohle^nstoff-Fasern 14 und 16 mit einer Flüssigkeit 22 überzogen werden. Die Flüssigkeit 22 enthält zwischen 1 und 2 G-ewofo eines karbonisierbaren, in einem flüchtigen, organischen Trägerstoff verteilten Harzes« 2)er organische Trägerstoff wird in Abhängigkeit von der Verweilzeit der Kohlenstoff-Filzmatte 10 in der Flüssigkeit ausgewählt, gehört jedoch zur Gruppe der Alkohole, Ketone und Azetone_o Der organische Trägerstoff wird während des Transports der Platte 10 durch einen zweiten Trockner 24 entfernt, dessen Temperatur auf 40-65° C gehalten wird«

Vom Trockner 24 wird die Kohlenstoff-Filzmatte 10 zu einem 209882/1173

Aushärtofen 26 transportiert, der auf einer Temperatur zwischen 90 und 150 G gehalten wird. Im Aushärtofen 26 wird der Harzüberzug der Kohlenstoff-Pasern 14 und 16 ausgehärtet. Dieser ausgehärtete Harzuberzug verbessert die Verklebung zwischen den Kohlenstoff-Fasern 14 und 16 und dem später hergestellten Stützgefüge_o Dann wird die Matte durch ein Imprägnierbad 28 gezogen, das ein Flüssigkeitsgemisch 30 aus einem karbonisierbaren Harz enthält, das zwischen 0 und 40 Gew.?» eines flüchtigen Trägerstoffs enthalten kann, der aus der Alkohol·^ Keton- und Azeton-Gruppe gewählt ist. Gewünschtenfalls können in dem Flüssigkeitsgemisch 30 ein Füllstoff aus Graphitpulver zur Erhöhung der Dichte der Filzmatte 10 oder weitere Zusätze enthalten sein, die dem Endprodukt erwünschte Eigenschaften, beispielsweise elektrische Leitfähigkeit, Oxidationsschutz und Abriebfestigkeit, verleihen O

lach dem Verlassen des Imprägnierbades 28 läuft die nunmehr getränkte Kohlenstoff-Filzmatte 10 in einen dritten Lufttrockner 32. Die Temperatur im Lufttrockner 32 wird auf 40-90° C gehalten, um aus der imprägnierten Kohlenstoff-Filzmatte jeglichen flüchtigen Trägerstoff zu entfernen untfdas Abbinden des karbonisierbaren Harzes einzuleiten« Beim Verlassen des Lufttrockners 32 ist die getränkte Kohlenstoff-Filzmatte 10 steif und es ist - wie durch die funkte in Fig· 3 angedeutet ist — Harz 34 zwischen den überzogenen Fasern 14 und 16 eingebracht·

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Infolge der Steifigkeit kann die getränkte Kohlenstoff-Pilzmatte 10 mittels einer Schneidvorrichtung 34 in eine beliebige Anzahl von Pilzstücken erwünschter Gestalt zerschnitten werden, beispielsweise Quadrate 36, Trapeze 38, kreisbogenförmige Stücke 40, Ringe 42 oder Scheiben 44 mit verwickelten inneren Ausschnitten·» Die Schnittform der Schnittvorrichtung 34 ist abhängig von der endgültigen Verwendung des Verbundteils. Die zugeschnittenen, getränkten Pilzstücke 46 werden von der Schnittvorrichtung · 34 abgezogen und in eine Zwischenkammer 48 gebracht, wo die Temperatur auf 65-110° C gehalten wird« In der Zwischenkammer 48 beginnt das Harz in den zugeschnittenen Kohlenstoff-Pilzstücken 46 auszuhärteno

Von der Zwischenkammer 48 wird eine bestimmte AnzaM der zugeschnittenen, getränkten Pilzstücke 46 in eine Porm 50 mit einer entsprechenden Gestalt eingesetzt. Mit Hilfe eines Kolbens 52 werden die Pilzstücke 46 in der Porm 50 mit einer Druckkraft beaufschlagt. Durch die Druckkraft des Kolbens 52 wird das von den Pilzstücken 46 eingenommene Volumen verringert, so daß die Paserdichte der Längsfasern 14 erhöht wird. Durch Einstellung der Druckbeaufschlagung des Kolbens 52 läßt sich die Paserdichte genau steuern. Gleichzeitig mit der Druckbeaufschlagung der Pilzstücke 46 wird die Temperatur in der Porm auf 110-180 C erhöht, so daß das in die Pilzstücke eingetränkte Harz aushärtet und ein starres Kohlenstoff-Paser-Verbundteil 54 entsteht. Wenn mehrere einzelne, geometrisch zugeschnittene Pilz-

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stücke in die Form 50 eingesetzt sind, um eine erwünschte endgültige Wandstärke zu erhalten, fließt das eingetränkte Kunstharz unter der gemeinsamen Anwendung von Druckkraft und Temperatur zwischen die einzelnen Filzstücke und verklebt diese miteinander«, Beim Aushärten hält das Harz die Kohlenstoff-Faser nach dem Herausnehmen aus der Form 50 mit einem vergrößerten Faservolumen und einer vergrößerten Dichte im komprimierten Zustand, wie dies in Figo 4 gezeigt ist.

Dann wird das starre Faser-Verbundteil 54 in einen"Ofen 56 eingebracht, wo das Harz weiter ausgehärtet und konditioniert wird, bevor das Verbundteil in eine Kammer 58 mit einer Inert-Gas-Atmosphäre eingebracht wird. Die Temperatur des üohlenstoff-ijaser-Verbundteils 54 wird dann langsam auf 800 bis 1100 G angehoben, so daß das Harz karbonisiert und ein Stütz- und Haltegefüge für die Kohlenstoff« Fasern in dem Verbundteil bildete

Wenn die Dichte des Kohlenstoff-Verbundteils 54 nach der Karbonisation in der Kammer 58 nicht in dem erwünschten Bereich liegt, kann die Dichte des Kohlenstoff-Verbundteils durch Einbringen in ein Bad 60 erhöht werden« Das dad 60 enthält eine Lösung aus einem karbonisierbaren Harz und gewünschtenfalls einen» Zusatz, etwa Graphitpulver oder einem anderen Füll-Modifiziermittel, das in einem flüchtigen Trägerstoff verteilt ist« Die Anordnung wird unter Vakuim and anschließend unter Druck gesetzt, um die Lösimg

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in die Poren des durch die Carbonisation gebildeten Kohlenstoffs zu drücken und dadurch das Kohlenstoff-Verbundteil 54 mit Lösung zu tränken_o.

Wach/dem Tränken des Kohlenstoff-Verbundteils 54 mit der Lösung wird das Verbundteil in eine Trockenkammer 62 gebracht, wo der flüchtige Trägerstoff aus dem getränkten Kohlenstoff-Verbündteil 54 entfernt wird. Von der Trockenkammer 62 wird das mit Harz und Füllmittel getränkte Kohlenstoff-Verbundteil 54 in eine Aushärtkammer 64 transportiert, wo das Harz ausgehärtet wird» Von der Aushärtkammer 64 wird das nunmehr gefüllte Kohlenstoff-Verbundteil in einen Ofen 56 gebracht, wo das Harz-Füllmittel konditioniert wird, bevor das Verbundteil in die Kammer 58 eingebracht und auf die oben beschriebene Weise karbonisiert wird. Dieser Vorgang der Unter_druck-Imprägnierung mit Harz und gewünschtenfalls einem Zusatzmittel wird wiederholt, bis eine endgültig erwünschte Dichte erreicht wird₀

Das nunmehr gefüllte Kohlenstoff-Verbundteil 54 kann noch weiter verdichtet werden, in dem es in eine Kammer 66 eingesetzt wird. Das Zohlenstoff-Verbundteil wird auf eine vorgegebene Temperatur, vorzugsweise zwischen 940 und llüO C, erhitzt ο Anschließend wird ein Kohlenwasserstoffgas in Berührung mit dem Kohlenstoff-Verbundteil gebracht, was bewirkt, daß der Kohlenwasserstoff aufgespalten wird und sich Kohlenstoff auf allen erhitzten Innen- und Außen-

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flächen ablagert. Diese Kohlenstoff-Ablagerung kann fortgesetzt werden, bis eine erwünschte Dichte erhalten wird.

In manchen Anwendungsfällen kann es von Yorteil sein, zunächst auf die oben beschriebene '.veise durch Aufspalten von Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff eine Kohlenstoff-Ablagerung vorzunehmen und anschließend auf die weiter oben ebenfalls beschrieben Weise dieses Kohlenstoff-Verbundteil unter Anwendung von Unterdruck mit einem karbonisierbaren Harz zu tränken.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Kohlenstoff-Verbundteils mit einer bestimmten, durchgehenden Faserverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoff-Fasern in Form einer Kohlenstoff-Filzmatte (10) durch ein Imprägnierbad (30), das ein erstes, karbonisierbares, in einem flüchtigen Trägerstoff verteiltes Harz enthält, bewegt werden und dabei die Kohlenstoff-Filzmatte mit einer vorgegebenen Menge karbonisierbaren Harzes getränkt wird, daß die getränkte Filzmatte zwecks Entfernens des flüchtigen Trägerstoffes aus dem karbonisierbaren Harz in Luft bei einer Temperatur zwischen 40° und 90° C getrocknet wird, daß mehrere Filzstücke von erwünschter geometrischer Gestalt aus der getränkten kohlenstoff-Filzmatte ausgeschnitten werden, daß eine bestimmte Anzahl der getri-inkten Kohlenstoff-!Filzstücke entsprechend einer gewünschten Wandstärke ausgewählt und in eine der geometrischen Gestalt der Filzstücke entsprechende Form (!30) einge-

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setzt wird» daß die Filzstücke in der Form mit einer bestimmten Druckkraft beaufschlagt werden und dabei das Volumen der EiIzstücke gleichförmig verringert und die Paserdichte erhöht wird, daß die Temperatur der Filzstücke in der Form (50) erhöht und dadurch das karbonisxerbare Harz ausgehärtet und ein starres Faser-Verbundteil mit vorgegebenem Faservolumen und vorgegebener Dichte gebildet wird, und daß das starre Faser-Verbündteil in eine Inert-ffas-AtmoSphäre . eingebracht und die Temperatur des starren Faser-Verbund— teils langsam auf etwa 800 bis 1100 C erhöht und dadurch das ausgehärtete Harz zu einem die Kohlenstoff-Fasern halternden Stützgefüge karbonisiert wird«,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Imprägnieren der Kohlenstoff-Filzmatte im Imprägnierbad (10) die Kohlenstoff-Fasern der Kohlenstoff-Filzmatte in ein leimbad eingebracht werden, das eine Flüssigkeit mit 1 bis 2· Gew.% eines zweiten karbonisier— baren Harzes enthält, welches in einem flüchtigen, organischen Trägerstoff aus der Alkohol-, Keton- und Azetonüruppe verteilt ist, die überzogenen Fasern in der Filzmatte zwecks Entfernens des organischen Trägerstoffs in Luft bei einer Temperatur zwischen 40 und 65 C getrocknet werden und der Harzüberzug der Kohlenstoff-Fasern in der Filzmatte bei einer Temperatur zwischen 90 und 150 G zum Aushärten gebracht und somit durch den ausge-

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härteten narzüberzug die Verklebung zwischen den Kohlenstoff-Pasern und dem später hergestellten Stützgefüge verbessert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Imprägnierbad (30) zusätzlich zu dem ersten, karbonisierbaren Harz in dem flüchtigen Trägerstoff verteiltes Graphitpulver zugesetzt wird.

4* Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der vorgegebenen Dichte des karbonisierten Verbundteils das karbonisierte Verbundteil in ein Verdichtungsbad (60) eingebracht wird, das eine Lösung aus in einem flüchtigen Trägerstoff ver-

dritten, teilten Graphitpulver und einem/karbonisierbaren Harz enthält, die Anordnung unter Unterdruck gesetzt und anschließend druckbeaufschlagt wird und dadurch in dem karbonisierten Verbundteil vorhandene Hohlräume mit Lösung gefüllt werden, das mit Lösung gefüllte karbonisierte Verbundteil zwecks Entfernens des flüchtigen Trä— gerstoffes aus der Lösung in Luft bei einer Temperatur zwischen 40° und 90° C getrocknet wird, das gefüllte karbonisierte Verbundteil zwecks Aushärtens des dritten karbonisierbaren Harzes auf eine Temperatur zwischen 90 und 150° C erhitzt wird und die Temperatur des gefüllten karbonisierten Verbundteils in einer Xnert-Öas-Atmosphäre langsam auf etwa 800° bis 1100° C erhöht und dadurch

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das dritte karbonisierbare Harz karbonisiert und mit dem Stützgefüge zwecks Halterns des Graphitpulvers in den Hohlräumen verklebt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Pullen der Hohlräume im Kohlenstoff-Verbundteil bis zum Erreichen der geforderten Dichte des Verbundteils wiederholt wirdo

bo Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhöhen der Dichte des Kohlenstoff-Verbundteils das Verbundteil in eine Kammer (66) eingesetzt und auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird, ein Kohlenwasserstoffgas in die Kammer (66) eingeführt und mit dem erhitzten Kohlenstoff-Verbundteil in Berührung gebracht und dadurch der Kohlenwasserstoff aufgespalten und Kohlenstoff auf den Innen- und Außenflächen des Kohlenstoff-Verbundteils abgelagert wird.

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