DE2315207A1

DE2315207A1 - Faserverstaerkte formteile und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2315207A1
Application number: DE2315207A
Authority: DE
Inventors: Dieter Werner Bauer
Original assignee: Ducommun Inc
Current assignee: Ducommun Inc
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1973-03-27
Publication date: 1973-10-18
Also published as: GB1423240A; FR2189207A1; US3895084A; JPS5551769A; JPS5938179B2; CA1012726A; FR2189207B1; DE2365823A1; DE2315207B2

Description

Die Erfindung betrifft ganz allgemein Formteile aus Kohlen-.stoff-und Graphit-Verbundstoffen, im besonderen mit Fasern hoher Festigkeit verstärkte Formteile aus Kohlenstoff-und Graphit-Verbundstoffen und das Verfahren zur ihrer Herstellung..

riit der raschen Entwicklung der Luftfahrt-,Kern-,Raumfahrt- und Hochtemperatur-Technik entsteht ein immer wachsender Bedarf an neuartigen Verbundstoffen hoher Festigkeit, die zuverlässig hohen Temperaturen und Drücken standhalten können. Darüber hinaus besteht das Bedürfnis nach neuen Verfahren zur schnellen Verarbeitung solcher Materialien in Erzeugnisse von unterschiedlichster und verhältnismässig komplizierter ?orn. Beispiele für solche Erzeugnisse sind u.a. dünnwandige leitkanten, StrahlenschutzSchilder, Flugzeugbremsen, Düseneinsätze und Bugzwingen und verschiedenartige Strukturen mit dünnwandigen Aussteifungen.

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"^g sind bereite zahlreiche Arten von Forrateilen aus Kohle- und

Graphit-Verbundstoffen und die Verfahren zu ihrer Herstellung in Stande der Technik beschrieben worden. Viele dieser Verfahren und Erzeugnisse haben beträchtliche Beiträge zur Entwiekelung dieser Technologien geleistet, jedoch haben sie sich bei vielen Anwendungen, wo es auf besonders geringe Toleranzen bei den Dichten uor End-Teile und ihre physikalischen Dimensionen ankam und wo Erzeugnisse hoher Beständigkeit mit überlegenen Reibungs- und Vorschleißeigenschaften-verlangt wurden, als nicht vollkommen geeignet erwiesen. Es wird auf die US-Patentschriften Nr. 2 653 SS¹O,

2 b58 848, 2 743 207, 3 O53 715, 3 174 895, 3 253 014·, 3 238 G54,

3 452 340, 3 367 812, 3 369 920, 3 374 102, 3 407 038, 3 462 289 und 3 502 759 und die britische Patentschrift Nr. T. 163 979 hingewiesen, welche sich mit der Unzulänglichkeit der bekannten Methoden zur genauen Kontrolle der Form der Erzeugnisse, der Querschnitts-Konfiguration, der Dichte, des Faservolumens und der. Faserorientierung im Inneren befassen.

Die einzigen Patentschriften aus der hier aufgeführten Zahl, die der Erfindung, wenn auch nur entfernt, nahekommen, sind die US-x'atontSchriften Nr. 3 233 014, 3 258 O54, 3 369 920 und die britische Patentschrift Nr. 1 163 979. Die einzige Ähnlichkeit zwischen den dort beschriebenen Erfindungen und der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ähnliche Bedingungen beim Ofenbetrieb zum überziehen der Kohle- oder Graphit-Fasern mit pyrolytischsn i-.atcrialien angewendet werden. Diese Patentschriften beschreiben v;o:\or die hier vorgeschlagenen neuen und bedeutenden Techniken :;ur dreimal is ic rung des Substrats noch legen sie sie nahe; dio

309842/085 5 ORIGINAL INSPEOTED

crrinclungcpjera-ißen neuen l'echnikcn zur genauen Kontrolle der Produkt-Form, dor Querschnitts-Konfiguration, der Dichte, des Faservolumens und der faserorientierung im Inneren können eindeutig tuen aus einer Kombination dieser Patentschriften vom Fachmann nicht entnommen v/erden.

Die US-Patentschriften Hr. 3 233 014 und 3 238 34-0 beschreiben die Bildung eines Substrats aus organischer V/olle oder eines Gewebes, das zuerst mit einem Harz behandelt und danach carbonisiert wird. Kach der Carbonisierung wird das Substrat mit pyrolytischer Kohle infiltriert, indem es bei erhöhten Temperaturen einer Benzol-Stickstoff-Atmosphäre ausgesetzt wird.

Von diesen Patentschriften unterscheidet sich die Erfindung eindeutig dadurch, daß vor der Infiltrations-Stufe keine organischen Fasern in der Form von WoIIe^ oder eines Gewebes eingesetzt werden. Es wird vielmehr eine Graphit- oder Kohle-Faser verwen-Got, die eine Faser von hoher Beständigkeit und hohem Modul in der Form eines Gewebes, Garnes, Kabels oder dreidimensional gewebter Platten sein kann. Von sehr großer Bedeutung ist, daß die Erfindung eine Garbonisierunga-Stufe nicht umfasst und damit die I-robleme der plötzlichen Schrumpfung des Substrats und der Verformung vermeidet, die mit der Garbonisierungs-Stufe verbunden cilia. Desgleichen werden Schwankungen in den Eigenschaften des materials ausgeschlossen, wie Flächen mit niedriger oder hoher oc'iiruK.pfung, clic von Abweichungen im Vorläufer herrühren.

..oil gerar'ß der Erfindung eine Carbonisierungs-Stufe nicht erfor-

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ORIGINAL INSPECTED

derlieh ist und wegen der neuen und einmaligen Art, in welcher das Substrat vor der Infiltration für die Verwendung als Endprodukt optimalisiert wird, ermöglicht die Erfindung die kontrollierte Herstellung einer großen Reihe von verwickelten und komplizierten Erzeugnissen aus Verbundstoff,.die für einen bestimmten Endgebrauch zugeschnitten sind.

Die "britische Patentschrift Nr. 1 163 979 ist direkt auf verschiedene Techniken des Ofenbetriebes beim Überziehen des Faser-Materials und der Verdichtung faserförmiger Substrate durch das kontrollierte Niederschlagen pyrolytische'r Materialien abgestellt. Auch nach' dem erfindungsgemässen Verfahren findet eine Verdichtung des Substrates in der Endstufe statt; es ist aber die Feststellung von großer Bedeutung, daß ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens einen neuen Weg betrifft, auf welchem das Grund-Substrat,für die Verdichtung optimalisiert wird. Darüber hinaus bezieht sich die britische Patentschrift allein auf Techniken des Ofenbetriebs zur Steuerung der Dichten der End-Teile; gemäß der Erfindung bringt dagegen die Optimalisier.ung des Substrates, das wesentliche Mittel zur Kontrolle der Dichte . des End-Teils durch die Anwendung von Techniken des Cfenbetriebs, die als zusätzliche Endkontrolle der Dichte der Endprodukte dienen.

Das besondere und neue Merkmal der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verbindung von Kohlenstoff-Fasern unmittelbar mit pyrolytischem Kohlenstoff in eine Vielzahl von Gestaltungen mit kontrollierbaren Faservolumina und mit völliger Verdichtung der so, gebildeten Erzeugnisse mit pyrolytischem Kohlenstoff.Das Sub-

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keine Bindemittel aus Harz oder Pech und das Endprodukt besteht nur aus Kohlefasern und pyrolytischer Kohle.

Dor nachfolgenden Beschreibung der Erfindung sei folgende Begriff serläuterung vorangestellt:

a. Kohlo-Fasern sind Fasern, welche durch Hit-zebehandlung sowohl natürlicher als auch synthetischer Fasern aus Materialien, wie z.B. V/olle, Rayon, Polyacrylnitril und Pech, bei !Temperaturen im Bereich von 1000 C erzeugt werden.

b. Graphit-Fasern sind Fasern, welche durch Hitzebehandlung von Kohle-Fasern bei Graphitierungs-Temperaturen im Bereich von ' 2G00 C und darüber erzeugt v/erden.

c. P,vrolytische Kohle, in den hier verwendeten Sinne, bezieht nie ι auf ein kohlenstoffhaltiges Material, das sich infolge therüiischer Pyrolyse aus einem Kohlenstoff enthaltenden Dampf auf einem Substrat niederschlägt.

d. -iryrolyticcher Graphit ist ein Handelsname, mit dem Kohle bezeichnet wird, die sich aus Kohlenwasserstoff-Gas bei Temperaturen im Bereich von 1750 bis 2250°C niederschlägt. Ss ist eine spezielle, bei hoher Temperatur gebildete Form pyrolytischer I.ohle.

e. Infiltration mit pyrolytischer Kohle ist ein Ausdruck, der die Verdicatungs-xechnik poröser, faserförmiger und einzelner Substrate nit Kohle beschreibt.

Jio Erfindung betrifft faserverstärkte'Formteile aus Kohle- oder '.-raphit-Yorbundstoff honor Festigkeit, die durch genaue Formung eines Substrates aus dehnbaren Kohle- oder Graphit-Fasern

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in der V/eise erzeugt werden, daß das Substrat in seine vorgebil dote Konfiguration gepresst und gleichzeitig mit einem pyrolyti schen Material infiltriert wird, um zunächst die Fasern des Sub strats aneinander zu binden,-und daß anschließend das gebundene •Substrat weiter mit pyrolytischem Material infiltriert wird, um kontrollierbar die gewünschte Dichte des End-sTeils zu erzielen.

Ein Ziel der'Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Produkts aus Verbundstoff bei hoher Temperatur von großer Beständigkeit, nach .welchem Materialien in der Form eines Gewebes, eines Bandes oder anderer gewebter oder nicht gewebter Strukturen aus Kohle oder Graphit zunächst zur Bildung eines. Substrates miteinander vereinigt werden, das für seine Verwendung als Endprodukt durch sorgfältige Kontrolle seiner Form, der Dichte der Fasern, des Volumens der Fasern und der· Orientierung der Fasern im Innern optimal behandelt wird. Koch während das Substrat in seine vorgebildete Konfiguration eingepresst ist, wird es da.m mit einem pyrolytischen Material so infiltriert, daß des Faser-Material, aus dem das Substrat besteht, fest aneinander gebunden wird. Das gebundene Substrat kann dann dadurch auf den ■prewünschten Grad verdichtet werden, daß ein pyrolytisches Material weiter in die Zwischenräume niedergeschlagen wird.

iän anderes Ziel der Erfindung ist ein Verfahren,' wie oben beschrieben, nach welchem eine rroße Zahl gewebter oder nicht gewebter iiaterialien aus Graphit oder Kohle von großer Beständigkeit und mit einem hohen Modul zur Herstellung von Formteilen sehr verwickelter Gestaltung für die Verwendung bei hoher Tempe-

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ratur und hohe ir. Druck verwendet werden kann, wobei diene- !Formteile ein vorbestimrntes Faservolumen und eine vorbestinimte Konfiguration besitzen und überlegene Reibungs- und Versenieißeigenschaften aufweisen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren der beschriebenen Art, nach welchem faserverstärkte Formteile in einer Vielzahl von Formen und Größen mittels planvoller und kontrollierter Vereinigung und Verformung vieler Schichten aus- gewebtem oder nicht gewebtem Material aus Kohle oder Graphit konstruiert werden können, deren einander benachbarte Fasern danach durch überziehen mit einem pyrolytischen Material verbunden werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Produkte aus Verbundstoff, nach welchem die Dichte des Endprodukts durch optimale Behandlung der Faserstruktur und des Faservolumens des Substrates und ebenso durch die kontrollierte Niederschlagung eines pyrolytischen Materials in die Zwischenräume des gebildeten Substrates genau gesteuert wird.

iiachstehend wird- die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zei gen erläutert. . ■

Figur 1 ist eine auseinander gezogene Ansicht einer Druckvorrichtung, wie sie bei der praktischen Durchführung des erfindurgsgemßen Verfahrens zur Formung bestimmter Typen von Grund-Substraten in geformte Substrate verwendet wird. ji'i-^ur 2 ict eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von ..,cb3iben des Grund-Substrates in ihrer Lage in der Druckvorrichtung.

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Figur 3 Ist ein Schnitt längs der Linien 3-3 in Figur 2 in Vergrößerung, der zeigt, wie die nach aussen ragenden Fasern der verschiedenen Substrat-Schichten ineinander greifen und Keim-Stellen für die· anschließende Niederschlagung des pyrolytIschen Materials bildeft.'.

Figur 4- ist eine Darstellung ähnlich wie,.Figur 3? ä.ie jedoch eine andere Art des Substrates zeigt, in welchem Schichten aus wahl-"los orientierten. Fasern zwischen Schichten aus gewebten Fasern eingestreut sind. .

Figur 5 ist.eine Draufsicht von einer noch anderen Form des Substrats, in welchem Streifen aus bandförmigem, einen hohen Modul aufweisenden faserigen Kohlenstoff in einer Druckvorrichtung der in Figur 1 gezeigten Art in Schichten gelegt werden, wobei in Jeder Schicht die Streifen des Bandes um 90° gegen die benachbarte Schicht gedreht sind. - „ Figur 6 ist ein Querschnitt von einem Teil,des Substrats nach Figur 5> welcher die Orientierung der Band-Streifen zeigt, die die Substratschichten bilden.

Figur 7 ist ein Querschnitt von einem anderen Substrat,'das sich in einer der Herstellung dieses Substrats angepassten Vorrichtung befindet. " , ' . Figur 8 ist ein Querschnitt von einem Substrat, das die Form einer Fahrzeug-Leitkante besitzt, innerhalb einer seiner Herstellung angepassten Vorrichtung■.

Figur 9 ist eine Draufsicht auf ein Basissubstrat'., in welchem besonders gestaltete Segmente aus gewebtem fahrigen Material für den Aufbau des Substrats verwendet werden» Figur 10 ist ein. Schnitt nach der Linie 10-10 der Figur 9, der die

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Winkelorientierung der verschiedenen, das Substrat bildenden Materialschichten verdeutlicht.

Figur 11 ist ein Querschnitt durch ein anderes Substrats "bei welchem miteinander verbundene Substrate aus gewebtem Material als flache Stapel mit anderen Substraten zusammengefasst sind, welche aus irisförmigen Blattsegmenten entsprechend Figur 9 gebildet sind. Zur Herstellung dieses Substrats können die Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 verwendet werden. Figur 12 ist eine ausexnandergezogene Darstellung einer Pressvorrichtung zur Herstellung von umfänglich gewickelten,rohrförmigen Substratteilen.

Figur 13 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung nach Figur 12, womit der Aufbau dieses Substrats verdeutlicht wird. Figur 14 ist eine ausexnandergezogene Darstellung von einer anderen Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemässen Substrats.

Figur 15 ist ein Schnitt durch die Vorrichtung nach Figur 14 mit dem in der Vorrichtung befindlichen Substrat. Figur 16 ist ein Querschnitt von einem Substrat, das aus dem Mittelteil des aus Figur 15 ersichtlichen Substrats gebildet ist. " -

Bei der Herstellung des Produkts aus Verbundstoff gemäß der Erfindung nach den erfindungsgemäßen Methoden wird ein optimales Substrat in einer vorbestimmten Gestaltung, mit vorgegebener Querschnitts-Konfiguratiori und vorgegebenem Faservolumen aus eines zuvor ausgewählten Fasern-Material aus Kohle oder Graphit von hoher Beständigkeit mit gegebener Faserdichte in der Form

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eines Gewebes, eines Bandes mit hohem Modul oder einer anderen Art von Faser-Struktur gebildet; anschließend wird das Substrat verschiedenen Verfahrens-Stufen unterzogen, einschließlich einer vorbereitenden Binde-Stufe und einer anschließenden Ver-, dichtungs-

otufe zur Erzeugung äes End-Produkts aus VerbündstQff. Da Faser-Laterialien sowohl auc Hohle als auch aus Graphit bei der Durchführung der Erfindung verwendet v/er ο en und angesichts der Tatsache, daß Faser-haterialien aus Graphit aus Kohle-Katerialien stammen, die bei Graphitierungs-'-i-'emperaturen hitzebehandelt wuraen, v/erden unter dem Ausdruck "Kohle", wenn er hier zur Beschreibung von faserförmigen Substraten benutzt wird, sowohl Materialien aus Kohle als auch aus Graphit verstanden.

Die Substrate, die bei der praktischen Durchführung der Erfindung zur Verwendung gelangen, können in eine Vielzahl von komplizierten Gestaltungen mit verschiedenen Arten von Querschnitts-Konfigurationen und Paser-Orientierungen im Innern, die durch die spezielle Verwendung bedingt sind, für die das End-Produkt vorgesehen ist, geformt werden,. Beispielsweise kann man Substrate in der- Form von im allgemeinen zylindrisch gestalteten Scheiben konstruieren, indem man Stücke aus Kohlefaser-Geweben kreisförr.dg ausschneidet und dann eins über das andere in tellerförmiger Anordnung aufeinander schichtet. Eine Scheibe ähnlicher äusserer Konfiguration kann aus einer Vielzahl von Gewebeschichten gearbeitet werfen, die in der Art von Schindeln aufeinandergelegt werden. Oder mail kann Gewebeschichten so auf einander stapeln, daß <" ie dichtung der Kette der verschiedenen Gewebeschichten einen vorbestimmten V/inkel zur Kettenrichtung der benachbarten Gewebeschichten bildet. Eine andere Art von Scheibe mit verschiedener innrer I.onfirraration kann man formen, wenn man Schnitzel von L-ohlr-fasern oder Kohlefaserrfilz zwischen abwechselnde Schichten einer.; ^ohlefaocriigeweben einlegt, ähnliche substrate können ge-

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formt werden miter Verwendung von ausschließlich, nichtgewebten Kohlefasern. ■ .■.

Eine Ausführungsform der Erfindung, in der Kohlegewebe in einer · Scheiben-Anordnung zur Bildung des Substrates verwendet wird, ist in den !Figuren 1 bis 3 erläutert. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist ein Halte- und JOrmgestell als Pressvorrichtung vorgesehen. Die Pressvorrichtung, die vorzugsweise aus Metall, keramischem oder feuerfestem Material, wie Graphit, besteht, umfasst ein Paar getrennter Rückplatten 14, von denen eine jede viele öffnungen 16, die sich durch diese: hindurch erstrecken, und viele Einschnitte in radialer Richtung "18, die sich auf den einander gegenüber liegenden Seiten befinden, aufweist« Das Haltemittel zur Aufnahme des Graphit-Gewebes des Substrats ist ein Paar Planscheiben 20, von denen jede gleichfalls viele durchgehende Öffnungen 22 besitzt. Die Einschnitte und Öffnungen sind in den !Teilen der Vorrichtung angebracht, um, eine Zirkulation von Gasen durch das Substrat im Verlauf der Bindestufe (die unten beschrieben wird) zu ermöglichen,, ·

Lei Verwendung'der Pressvorrichtung bei der. praktischen Durchführung der Erfindung wird die untere Planscheibe zunächst zentral auf die untere Riickplatte gelegt« Danach werden besonders hergestellte Stucke aus Kohle- oder Graphit-Gewebe' 24, die mitteis Schere oder mittels. Matrize in die Form gestanzt wurden, die :;rob angenähert der gewünschten Querschnitts-IPorm des Snd- .- " Teils gleicht, wie in Figur 2 gezeigt_s sorgfältig eines über das andere auf die Planscheibe gelegte Sind genügend Gewebeschichten

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aufeinander gepackt rait dem Gewicht, aas für das gewünschte Faservolumen ausreicht, und mit einer Struktrur, die eine größere Gesamthöhe als die gewünschte Höhe des End-Teils besitzt, dann v/erden die obere Planscheibe auf die oberste Gewebe schicht' und die obere Rückplatte, mit den Einschnitten nach unten, auf die Planscheibe gelegt. Dann wird ein Einstellmittel zur genauen Kontrolle des Abstandes zwischen den Planscheiben mit der oberen und unteren Eückplatte verbunden. Im vorliegenden Falle besteht das Einstellmittel aus mehreren Stäben 25, auf die ein Gewinde aufgebracht ist, welche durch die öffnungen in den Rückplatten und Planscheiben hindurchragen. Auf die gegenüber liegenden Enacn der Gewindestäbe werden Kuttern 26 aufgesetzt und gegen die Aussenflächen der Bückplatten angezogen, um den Abstand zwischen_ den Planseheiben au verringern und dabei die Gewebeschichten kontrollierbar im gewünschten Ausmaß zusammenzupressen. Zwischen dio Planscheiben v/erden Ab stands stücke 28 bekannter Länge eingesetzt, um die Dicke, das Faservolunien und die Höhe des Substrats canau zu kontrollieren. Diese Technik verkörpert das hauptsächliche Mittel zur Erzielung des gewünschten Easervolumcns im Substrat.

-■-ei o.er konstruktion des Substrats in dieser Ausführungsform der Erfindung können zahlreiche Typen von Geweben oder gewebten Materialien aus Kohle eingesetzt werden, eingeschlossen verschiedene Gcwebetr/r.cr, nit feiner und offener Webart mit unterschiedlichen .V--L-;;tickeiton und Dichten dar liinzolfaGern. Die Anfangs-Kohie-■ ■-ίΐΐΐβ für die ICohle-Gewebe und das gewebte Material umfassen ^:."-ilröicho synthetische und nichtsynthetische Stoffe_f s.E. Welle,

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Rayon.,/Polyacrylnitril und Pech. Die gewünschte Anfangsdichte ; des Substrats für eine bestimmte Anwendung wird vorausberechnet, um das .geforderte Faservolumen im Substrat zu erzielen«
Dann wird die errechnete Zahl der Gewebeschichten aufeinander . ' gestapelt und mit Hilfe des Einstellmittels der Pressvorrichtung auf die vorberechnete Anfangsdichte des- Substrates verdichtet. ■ . "

Ss wurde gefunden, daß für bestimmte Anwendungen eine spezielle Behandlung des Gewebes vor dem Aufbau des Substrats wünschenswert ist. Um beispielsweise eine größere Zahl an Verbindungsstellen auf der Gewebeoberfläche zum nachfolgenden Niederschlagen des pyrolytischen Materials zu schaffen^ damit eine bessere Bindung zwischen den Gewebeschichten zu erzielen und als Ergebnis davon die interlaminare Scherfestigkeit des Substrats zu erhöhen _h können beide Seiten des Gewebes so abgerieben werden₉ daß der höchstmögliche Flaum ohne Beschädigung-der Webart des Grundgewebes erhalten wird. Diese Oberflächenbehandlung kann in einem Bürsten des Gewebes mit Sandpapier oder Stahlwolle oder in einem Abreiben der Oberfläche mit¹ Gebläsekies bestehen« Wie in Figur ' 5 gezeigt, v/erden bei der Vereinigung der oberflächenbehandelten Eohle-Gewebesegmente5 zusätzlich unter abwechselnder Änderung der Usbrichtung des Gewebes-, die Gewebesegiaente in der Pressvorrichtung so zusammengesetzt", daß die Seite mit. dem höchsten -Flaum bei jsaar- Gewebeschicht in der gleichen Hicntung liegt«, ■r/ir-ά das Gewebe.in dieser Weise gestapelt _s dann vermischen sich uie Fasern zwischen den Gewebeschichten und schaffen eine Tisl- zahl -on Keimstellön'für aas. pyroXytisciie Material₅ das an-

schließend während der Bindings- und Verdichtung's-Stufe niedergeschlagen wird.

Bei der Vorbereitung des Gewebes für seine Zusammensetzung in das Cubstrat muß große Sorge dafür getragen werden, daß es nicht gefaltet, geknittert, durchstochen, aufgeschlitzt oder ausgefasex-t wird. Nachdem das Gewebe oberflächenbehrndelt und in Stücke der gewünschten Gestalt und Größe geschnitten worden ist, v/ird das Substrat in der Pressvorrichtung in der eben beschriebenen Weise zusammengesetzt; dann werden die Schichten in dem Ausmais zusammengepresst, das für das optimale, vorbestimmte Paservolumen des Substrats notwendig ist.

Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß beim Zusammenpressen der Gewebeschichten durch das Einstellmittel der Pressvorrichtung das Gewebe der obersten Schicht des Substrats in

die Öffnungen der Planscheiben gedruckt wird und dabei ein Druckiauster im Gewebe hervorruft, das zur Erhöhung der interlaminaren Scherfestigkeit des Substrats nach der anschließenden Infiltration mit pyrolytischer Kohle dient.

Verwendet man Vorrichtungen verschiedener Größen, dann können Substrate in Scheiben-Anordnung verschiedener Höhen und Durchmesser gearbeitet werden. Es wurde gefunden, daß z.B. Substrate dt Durchmessern im Bereich von 55 cm nach dem erfindungsgemäßen yorfahrcn hergestellt werden können. Solche Substrate haben sich ■1z besondere brauchbar bei der Produktion hochfester, wärmebeständiger I">remo;".cheiben für Flugzeug-Brenssysterne mit hoher

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Energie-Aufnahme erwiesen.' Desgleichen wurden Substrate in • Scheiben-Anordnung mit Durchmessern im Bereich von 15 cm und ■ Längen bis zu 23 cm für die Herstellung von Düsenrohren in 2aketenmotoren konstruierte Bei der Bildung von Substraten für ähnliche Verwendungszwecke können zentral angeordnete Dorne oder Verbindungsstäbe- zur Formung rohrf armiger Substrate dienen. Für ' solche Substrate werden natürlich das Geweber oder die Gewebe-•segmente so geschnitten, daß sie eine zentrale öffnung erhalten, welche über den Dorn in der Mitte passt_o

Eine andere Ausführungsform der Erfindung, in welcher Kohle-Gewebe zusammen mit willkürlich arrangierten Kohle-Fasern in Form eines Filzes oder von Faser-Schnitzeln eingesetzt werden, •zeigt Figur 4. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine Pressvorrichtung 12 der oben beschriebenen Art benutzt, um abwechselnde Schichten von willkürlich arrangierten Kohle—Fasern 50 und scheibenförmige Stücke 24 von Kohle-Gewebe 24-a aufzunehmen, die nicht vorbehandelt oder alternativ Gewebestücke sein können, die, wie in der vorangehenden Ausführungsforrn beschrieben, oberflächenbehandelt wurden. Ist'ein Substrat in der gewünschten Länge aufgebaut,; dann wird es durch Betätigung des liinstellTnittols der Vorrichtung im gewünschten Ausmaß verdichtet.

In den Figuren 5 und 6 werden noch andere Ausführungsformen der Erfindung im Diagramm erläuter-t. In dieser Ausführungsform der i;r'finching wird eine Vielzahl dünner Schichten von Kohle-Band zum Aufbau des Substrate-verwendet. Bei der Konstruktion des Substrates werden, ähnlich, wie oben beschrieben, zuerst dünne

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ilen auf die untere Planscheibe einer. Vorrichtung ge- · lort und eine Bahn in einer Form gebildet, die im Querschnitt der gewünschten Form des End-ErZeugnisses angenähert ist. Dann v/erden weitere Schichten, die in der gleichen Weise gelegt wurden, hinzugefügt,' wobei in jeder Schicht die Bandstreifen um SO G^eC^en clie vorangehende Schicht gedreht werden, bis eine Schicht mit einer etwa größeren Länge als beim End-Erzeugnis gewünscht, entstanden ist. Für bestimmte Anwendungen können natürlich andere Orientierungen der Streifen in benachbarten Schichten angewendet werden. Die Verdichtung des Substrats auf das gewünschte iiaß wird dann durch Anziehen der Muttern auf den Verbindungsstäben der Vorrichtung vorgenommen. Eine große Vielzahl ":oehfecter Kohle- und Graphit-Bänder mit hohem Modul stehen ,jetzt im Handel zur Verfügung, Da diese Bänder flexibel' und leicht verformbar sind, können nach dem Verfahren gemcüß der Erfindung Substrate mit komplizierter räumlicher Gestaltung prompt angefertigt v/erden.

In el on Figuren 1 bis 6 wurden zum klaren Verständnis der Erfin- -..iunar Pressvorrichtungen verhältnismäßig einfacher Sauart gezeigt. ,/in v;ichtiges merkmal der Erfindung besteht aber darin, daß das oinrnuiiffe Verfahren der Erfindung ein Mittel aufweist, mit dem '^,Tzsxir]i±3de aus Verbundstoff mit hoher Beständigkeit in einer Vielzahl verwickelter und komplizierter Formen hergestellt weruen k.-.'nn . Als Beispiel zeigen Figuren ? und 8 Pressvorriciitun^Gn für aie Herstellung von Leitkanten und Fiugzeug-3tau(spoiler)klappen..

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"riach der Bildung des geformten Substrats und noch v/ährend es sich, in einer profilierten Konfiguration in der Pressvorrichtung befindet, werden die Fasern des Substrats mit pyrolytischem Mate-, rial nach der bekannten Technik, dieses aus Dampf niederzuschlagen, überzogen. Es ist wichtig,'daß v/ährend der Binde-Stufe jede Sinzelfaser des Substrats gleichmäßig mit einem überzug versehen wird. Auf diese.weise werden die benachbarten Fasern, aus denen das Substrat aufgebaut ist₉ so wirksam miteinander verbunden, daß sie das Substrat in seiner Konfiguration sicher zusammenhalten.

Verschiedene pyrolytische Materialien können in der Binde-Stufe zum Einsatz gelangen, eingeschlossen pyrolytisch^ Kohle, pyrol.ytisches Graphit, gewisse Kitfide, wie Bornitrid«, gewisse be-' . stl'ndigo Metalle, wie Tantal, Wolfram«, Molybdän und Niob, ebenso gewisse Carbide, einschließlich 'J?antalca?.bid_s Hiobcarbid, Zirkon«= carbid, Hafniumcarbid und Siliciumcarbid«

Die Binde-Stufe wird in jedem Ofen, der sich zum Niederschlagen im Vakuum in einem Temperaturbereich von etwa-800 bis 184-5°C eignet, vorgenommen« Das ]?aser-Haterial₉ aus dem das geformte Substrat besteht, kann beispielsweise mit einem überzug aus Kohle (pyrolytischer Kohle), die" im Vakuum niedergeschlagen v/ird, miteinander verbunden werden_o Dies kann beispielsweise geschehen, wenn man pyrolytisch^ Kohle aus einem Kohlenstoff enthaltenden Gas, wie Methan (GEL)₉ das in der Hitze dissoziiert, niederschlagt« Diese Maßnahme führt man vorzugsweise in einem Ofen untor- einem Druck ira Bereich, iron 1 "bis 760 mm Sg (d_eh_o bis 1 at)

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und gewöhnlich von etwa 1 bis 50 ^mm Hg durch. Die Strömungsgeschwindigkeit des Methangases bewegt sich innerhalb eines weiten Bereichs und kann eine Strömungsgeschwindigkeit von 14-2 bis 10 200 Liter/Stunde, abhängig von der Ofengröße, umfassen. Die Ofcntemperatur kann in dem Bereich von 800 bis 1250⁰O liegen; vorzugsweise beträgt sie etwa 1000 C. Die Infiltrationszeiten -eier Binde-Stufe variieren von 10 bis 200 Stunden; auch sie sind durch die Ofengröße bedingt. Unter diesen Bedingungen bilden sich aus dem ^ethan aktive Formen, welche die Hohlräume zwischen den Fasern durchdringen, oder sie entstehen an der Faser-Oberfläche und lagern Kohle ab, die' an den Fasern haftet und eine feste mechanische Bindung schafft. Die Geschwindigkeit der Ablagerung ist eine Funktion des Ofendrucks, der Temperatur, der.· Strömungsgeschwindigkeit der Gase., ihrer Zusammensetzung und ihrer Verwexlzeit. Die für eine wirksame Bindung der Fasern des geformten Substrats aneinander benötigte Zeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Faservolumen des Substrats, der Skelett-Struktur des Verbundstoffe, seinem Aufbau, der Porengröße und der Orientierung der Fasern, ebenso der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, der Ablagerungs-Temperatur und des Ofendrucks.

Anschließend an die Binde-Stufe, in der die das geformte Sub-Gtrat aufbauenden Materialien aneinander gebunden werden und ein fcbundenes Substrat mit einer Gestaltung entsteht, die praktisch solion der Form des Endprodukts gleicht, wird das gebundene Substrat o.urch zusätzliche Infiltration mit pyrolytischem Haterial yoräieiitot. wie- in der Binde-Stufe können auch in der Verdiche verschiedene pyrolytisch^ Materialien eingesetzt

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üs ist nicht notwendig, .wird aber vorgezogen₉ da\s gebundene Sub=} ■ strat aus der Pressvorrichtung herauszunehmen und den Verdientiaigs-Schritt am gebundenen Substrat im freien Stand durchzuführen. Die Ofen«- mid Verfahr ens-Bedirigungen in der Verdichtung s~Stu,fe bewegen sich allgemein in den gleichen Bereichen wie in der Binde-Stufe„ Die zur Erzielung der gewünschten Verdichtung erforderliche Zeit variiert ebenfalls in'Abhängigkeit-von den strukturellen Eigenschaften des Substrats, und kann zwischen. 10 und Hunderten you Stunden liegen_o .

Pur gewisse Anwendungen,, wo End-Erzeugni'sse mit verhältnismäßig hoher Dichte verlangt werden, kann es erwünscht sein₉ die Äussenflächen des Substrats periodisch leicht zu .bearbeiten, um Vertrustungen τοη den ilussenflächen su entfernen_o V/enn bei den End-SrZeugnissen Eisafcen im Bereich von 1_S5 g/ccm und darüber gefordert werden, kann es darüber hinaus notwendig sein«, die Abi'O-(:erungsteTüpe.raturen5 die- Gasgeschwindigkeiten und Ofendrücke periodisch anzupassen, um eine gleichmäßige Verdichtung des Substrates su erhalten3 die für die Erreichung der Eigenschaften das lünspiOdukts wichtig sind«

Substrate in Scheiben-Anordnung Verwendung von Graphit-Gewebe

Lin Grapiiit-Geuebe mit einem Rayon-Vorläufer, hergestellt von ixitcO' als G-I55O, achtbindiger Köper (8H/S) bezeichnet, ge-

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langt in diesem Beispiel zum Einsatz. Es wurden 'die Variablen untersucht, welche dio Infiltrationseigenschaften und die mechanische Festigkeit der Formteile aus Verbundstoff beeinflussen. Für dieses Beispiel wurden fünf Substrate aufgebaut und rait pyrolytischem Material infiltriert. Unterschiede in der inneren Konfiguration und der Porengröße des Substrats wurden durch Variationen der Faser-Orientierung und de.s Faser-Volumens herbeigeführt. Das Faser-Volumen betrug 35,6 bis 69,3 Volumenprozent.

Δη reginn wurde das geforderte Gewebe-(Faser-)Gewicht berechnet, ur. für jede Substrat-Probe das erwünschte Faser-Volumen zu eraiolen. (siehe Tabelle i;r. 1). Danach wurden beide Oberflächen des Graphit-Gewebes mit Stahlwolle von Hand abgerieben, um ohne Beschädigung des Gewebes den höchstmöglichen Flaum zu erzielen. tledar Best von Stahlwolle, dor nach dem Abreiben zurückblieb, wurde sorgfältig mit einem starken Magneten entfernt. Dann wurde r„:it einer Gehneidvorrichtung das Gewebe in die gewünschte Form ::c-.:to.nzt und mit Sorgfalt ein Falten, Knittern, Durchstoßen, Aufreißen oder Ausfasern vermieden.

-l.rr.chaem die richtige Zahl an Gewebestücken aus Graphit für ein _:--o;;;ebeues Substrat geschnitten war, wurde mit dem Aufbau der -Aoostratprohe begonnen« In einer Pressvorrichtung wie nach Figur '\, die aber nur einen einzigen Gewindestab in der ϊ-litte anstatt uer p;··.:. ze igten drei oesar.», wurden die Gewebesegmente sorgfältig auf dia untere planscheibe, eins über das andere, aufeinander '■;ele::t. Die Xettcnrichtune?. des Gewebes wurde als Bezugspunkt beim Cchnoioon und Anordnen benutzt. Die Kettenrichtung wurde gewech-

309842/0856

'■ ' ■ "231520? ;

.seit, ua ein O /90- versetztes Modell zu erhalten, das die Eigenschaften des Gewebes in der 0°/90°-0rientierung des Substrats ausgleicht. &s wurde dafür Sorge getragen,, daß die Seite mit dem höchsten Flaum bei jeder Gewebeschicht in der gleichen Richtung" lag. \7enn das Gewebe in dieser Art gestapelt wird, schaffen die miteinander vermengten Fasern zwischen-den.Gewebeschichten zusätzliche Keimstellen für die pyrolytische Kohleζ nach der Infiltration binden sie Faser an Faser und Schicht an Schicht und ergeben ein Substrat mit verbesserter interlaminarer Scherfestigkeit.

nachdem die faserigen Gewebeschichten mit Sorgfalt auf der unteren Planscheibe aufgestapelt waren, wurden die obere Planscheibe und Rückplatte aufgelegt und die Gewebeschichten mittels des Schraubenbolzen in der Mitte und der beiden Muttern auf das gewünschte Kaß verdichtet. Beide Planscheiben hatten eine Ausführung mit Löchern von 6,35 ^{ram iu}> den Gasdurchgango Alle Segmente bestanden aus Graphit.

Mit den in der beschriebenen Weise aufgebauten ProbeSubstraten und ohne den Zusatz irgendwelcher reaktiven Stoffe oder Imprägniermittel wurde der Verbindungsschritt durch Infiltration begonnen; dabei wurde ein Ofen der beschriebenen Art zum Niederschlagen von Kohle aus Dampf benutzte Die Betriebsbedingungen des Ofens waren;

■ Ablagerungstempera tür? 1.04-0⁰G Druck: 70 ram

Strömungsgeschwindigkeit von Methans 24-2 Liuer

/Stde Zeits 10 3turiden_o · -

' 309842VO856 ■ ^%

Lach der Binde-Stufe wurden die Vorrichtungen geöffnet und alle losen Fasern von den Substraten mit einer groben Feile entfernt.

Schließlich wurde der Verdichtungs-Schritt durchgeführt, in den .jedes Substrat durch weitere Infiltration in einem Ofen, in welchem Kohle aus Dampf abgeschieden wird, verdichtet wurde. 2s wur uen die änderungen der Dichte in Abhängigkeit von der Infiltra~ tionszeit festgestellt. Die Betriebsbedingungen des Ofens waren:

Ablagerungstemperatur: 104O⁰C Druck: $0 ram + 3mm

(iei der 120-Stunden-Infiltration von I-robe i\r. 3'war der Oferddruck W EK.)

UFL-Strörnungsgeschv/indigkeit; 6370 Liter/Std.

Zeit: Siehe Tabelle Hr. 2 ·

Zwischen den Infiltrations-Läufen wurden die Substrate bearbeitet, indem jedes Hai etwa 1,65 mm je Seite von den Oberflachen der Innen- und Aussen-Durchmesser und 0,81 ram je Seite von den Schoibenoberflächen weggenonuen wurden. Nach jeder Bearbeitung wurden alle Substrate in Aceton mit Ultraschall gereinigt.

i.ach der Verdichtung wurden die Formteile zur Bestimmung der -de^cfestigkeit, der Spaltfestigkeit und der Schlagzähigkeit noch der Höhe und Länge überprüft. Die Ergebnisse der Kontrolle so igt I'abelle Hr. 5-

überprüft vmrde ein Material mit 33,5 Vol.fi Faser-

volunsn, das auf eine Dichte von 1,71 g/ccm infiltriert worden

2 '.'.-.r. Die ceo iiatorial hatte eine Spaltfestigkeit von 361,8 kg/^cm

309842/0855

einen Biege-Modul von 2.''Jo 000 kg/cm und eine Bruchdehnung von 1?13 °i° (Dehnung nach der Höhe). Wurde dieses Material mit der Dichte von 1,71 g/ccm bei 2980 G über .zwei Stunden graphitisiert,

dann fiel die Biegefestigkeit -nach der Hohe, auf 1120 kg/cm⁴" und

_ ο

nach der Länge-."auf 963 kg/cm . Der Modul nach der Höhe bezw.

Lunge fiel auf 143 000 kg/cm² bezw. 130 .000 kg/cm². Die Bruchdehnung ging auf 0,95 % nach der Höhe und 0,84 °/o nach der Länr^e "herunter-. Die Spaltfestigkeit wurde für das graphitisierte I-Iate-

tial mit 155 kg/cm und die Kerbschlagzähigkeit mit 0,180 mkg

gemessen (1.,3 ft-lb/in).

3 0984 2/085 5

	Probe lir.	ιοί 1 Tab	-•lie ΐ:ι·. 1 -	Sub: trat-i'i^c	! ηcchiften.	Zahl der Schichten
	4 ·	Dimensionen von AD χ ID χ D mm	Dichte nach Verdichtung p:/ccm	Faser- Volumen	Gev/ebe- Gewicht nach Verdichtung	32 .
	6	92,71x19,05x16,51	. 0,504	33,3	53,8	44
	5	92,71x19,05x16,51	0,678	45,2	72,4	25
co	9	92,71x19,05x 8,89	0,71?	47,8	41,2	27
O co	8 1	92,71x22,23x 8,89	0,813	54,2	46,0	55
842/(	AD *	92,71x22,23x15,89 89,90x19,05x 7,11	0,842 1,04	56,1 69,3	85,0 45,1
OD cn cn	Aussendurchmesser

ID = Innendurchmesser D β Dicke

Beispiel 1'

Tabelle 2 - Änderung der Dichte in Abhängigkeit
der Infiltrationszeit des Substrats

	Probe Nr.	vor der Infil tration	nach	10 Std.	Std.
		nach	nach	130	Std.
CJ O	φ	M < nach	^nach	160	Std.
co 00		•Η	208	Std.
			280
■^ σ oo ,
cn cn

0	.504	0	.717	0	.678	0.842	0.813	-	1.440	1.	04
0	.910	1	.070	1	.090	1.060	1.160	1.560	1.	22
				1	.520		1.	49
1	.630	1	.590			1.410
						I.49O

1.560

1.50

Ol hO CD -4

Beispiel 1

Tabelle 3 - Mechanische Eigenschaften des infiltrierten Substrats

Probe Nr.

•i^ (O

5 6 8

9 1

Enddichte g/cc

1.63 1.64

1.53 1.49 1.56 1.4?

BiegeZugfestigkeit (PSI)

Xl	18670
24430	17900
22700	18970
22730	18170
21650 ^k	195ΌΟ
20650	15130
24030

Interlaminare Scherfestigkeit (PSI)

3880 4090

Schlagfestigkeit (Pt-lbs/in Kerbe)

O.95O

0.763 1.011

Anm.: E = kantenweise Orientierung F = flächenweise Orientierung.

η q 1 C O Γ) "7

mit. großem Durch

Beispiel 2. -■Substrate in Scheiben-Anordnung mit.

messer, Verwendung von Graphit-Gewebe für Flugzeug-Brems-Systerne mit hoher Energie—Aufnähme.

Kohle/Kohle--Vcrbundstoffe sind als Brems-Katerial von Interesse wegen ihrer hohen !festigkeit und Hitzebeständiglceit bei hohen Temperaturen, ihrem guten Reibungskoeffizienten und ihrer Verschleißfestigkeit.. In diesem Beispiel wurde, wie im vorangehenden, das Graphit-Gewebe von Hitco, G-155⁰, achtbindiger Köper (8H/S), eingesetzt, die aufeinander folgenden Stufen waren in diesem Beispiel die gleichen wie in Beispiel 1, nur waren die Proben viel größer. Eine Vorrichtung, die der in Figur 1 gezeigten sehr ähnelte, wurde als Pressvorrichtung benutzt.

•Die folgende, aus Verbundstoff voll strukturierte Brems-Schoibe vmrde hergestellt, um die Verfahrensbedingungen für die Herstel.-lung im vergrößerten Maßstab von Erzeugnis-Teilen in natürlicher Größe zu ermitteln,,

Konnzeichen der Dimensionen des Rohteils vor der Infiltration bchoibe und Endteil-Größe nach der Bearbeitung / i:im

FS/H · Ausgangsgröße:: 424,2 ADx 193,04 ID χ 25,4 D Endgröße:- 398,8 AD χ 219,20 ID χ 19,1 D FR/5 Ausgangsgröße: 449,6 AD χ 223,52 ID χ 25,4 D Endgröße: 424,2 AD χ 248,92 ID χ 19,1 D (AD = Auscendurchmesser, ID = Innendurchmesser, D = Dicke.) Das G-1550-Graphit-Gewebe für die Scheibe FS/R wog 1423,3 S und für FR/5 1520,Og. Die Auεgangεdichte jeder Scheibe bein Verdichten 'betrug G,500 g/ccm bezw. 0,501 g/ccm bei einem Faservolumen

309842/085 5

von '-j'j, 3 bo ην/. OO ·> ^- Volumenprozent·

JJaG Graphit-Gewebe aus dein Rayan-Vorlaufer wurde in leicht hantiorbare Segmente geschnitten; danach wurden beide Gewebe-Oberflüchen abgerieben (gefasert), indem von Hand eine feine Stahlv/olle gegen die Ketten- und Schußgarne gerieben wurde, wobei ein gleichmäßiger ]?laum entstand. Alle Reste der Stahlwolle wurden Mit einem starken Magneten entfernt. Die scheibenförmigen Gewe— beschichten wurden mit einer stählernen Winkelmatrize geschnitten. Die Kettenrichtung in 8H/3-Gewebe wurde als Bezugspunkt beim uchnniden und Aufbauen benutzt. Sie wurde abwechselnd geändert, um ein 0°/90°versetztes Küster zu erhalten, das die -Eigenschaften des Gewebes in der 0°90°-0rientierung des Substrats ausgleicht.

Die Gewebeschichten wurden sorgfältig auf die Planscheiben einer oinstollbaren-Graphit-Pressvorrichtung gestapelt, die der in j'irjur 1 gezeigten glich. Um zu verhindern, daß sie sich beim Verdichten aus ihrer Lage herausbewegten, wurden sie mit Gewindestäben- von 19j05 Km Durchmesser festgehalten, die sich am Aussenunv Innendurchmesser des ¹JeUc befanden. Hitteis d'es Einstell- :.;ίΰί;ο1α aus Graphit-Bolzen und Hut tern wurden danach die !Teile auf 25j4· ran hoho Abstandshalter zusammengepresst, um das ge-•vvinoclite ?a servo lumen zu erhalten (53 Volumenprozent). Während ;;er Bindestufe wurde die. Dicke des 'leils dadurch konstant gehalu-;n, daß die Platten fest gegen die genau gearbeiteten Abstandshalter neOresst wurden.

ORIGINAL INSPECTED

309842/0855

Beide Teile wurden rait pyrolytischer Kohle unter den oben beschriebenen Verfahrensbedingungen verbunden,

r;ach Entformung aus der Vorrichtung hatte das Teil IPS/R eine Dichte von 0,985 g/ccm und 1TR/5 von 1,230· g/ccm. Nach der Eindestufe wurden alle lockeren Teile mit einer, groben Feile von Hand entfernt. Zwischen den späteren Infiltrations-Läufen wurden die Scheiben bearbeitet, wobei jedes Ma! etwa 1,651 mm je üeite von den Oberflächen des Innen- und Aussendurchmessers und C,815 ifim je Seite von den Oberflächen der Scheiben weggenommen wurden. ■

Beispiel 3 - Substrate in Scheiben-Anordnung rail; verschiedenartigen Kohle-Geweben. * -

Vier verschiedene Kohle-Gewebe wurden als ein Teil dieses Beispiels untersucht, um die Wirkung des Gewebe-Typs und der Webort auf die Infiltration und die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Die eingesetzten Gewebe waren: 8-bindiges Köper-(8H/o)-Kohle-Gewebe aus einem Ray on-Vor lauf er ''GSCC-S der Carborundum Corp. und drei Kohle-Gewebe aus Pech-Vorläufern der Kureha Corp., 1x1 Vierkant-Gewebe, 2x2 Vierkant-Gewebe (PanamabincYung) und ein 8H/S-Kohle-Gewebe,

Beide Oberflächen eines jeden Gewebe-Typs vrurden von Hand mit stahlwolle abgerieben, um den höchstmöglichen Elaum ohne Beschädigung des Grundgewebes zu erzielen. Alle Reste der Stahlwolle wurden sorgfältig mit einem starken Magneten entfernt.

309842/085S

Die ITlaumfasern aus dem gewebten 2- oder 3-strätinigen Garn vrarden beim Zusammenpressen des Substrats mit den Fasern der anliegenden Gewebeschicht vermengt und verfilzt«

Bei Substraten aus 8H/S-Gewebe wurde die Kettenrichtung beim Schneiden und beim Aufbau des Substrates als Bezugspunkt benutzt. Sie wurde abwechselnd in die 0 /90 -Anordnung geändert, um die Gewebeeigenschaften in der 0°/90°-0rientierung des Substrats auszugleichen*

Es wurden Kohle-Gewebe in Vierkant-Webart aufgestapelt, bei Genen das Webmuster parallel zur Schnittfläche für ein rechtwinkeliges Substrat verlief. Desgleichen wurden scheibenförmige Schichten aufgelegt, bei denen das Webmuster sich bei jeder folgenden Schicht parallel zur voraufgehenden erstreckte.

Sorgfältig wurde darauf geachtet, daß die Seite mit dem höchsten Flaum bei jeder Gewebe-Schicht in der gleichen Richtung leg. 3s wurde eine Pressvorrichtung ähnlich der in Figur 1 gezeigten benutzt;- die faserigen Gewebe-Schichten wurden sorgfältig auf die Planscheiben gelegt, zusammengepresst und unter Verv;encung geeigneter Abstandshalter für die Dicke zusammengeschraubt und infiltriert.

Bei Verwendung des Gewebes der Carborundum Corp. wurden 32 Schichten des Gewebes GSGC-8, 8H/S, 15O₅1 g schwer, wie vorbecchrieben vorbereitet und in O°/9O -Anordnung zur Herstellung einer Scheibe mit 155?7 mm Aussendurchmesser χ i9jO5 ™® Innen-&u:cch;,or;"or χ ''o^S mm Dicke ?;ostapelt. Die Dichte vor der Infil-

309842/0855

- ο

filtration nach dem Zusammenpressen betrug 0,505 g/cm bei einem iaservolumen von 53,7 Volumenprozent. Das Substrat wurde unter Anwendung der isothermen Standard-Infiltration auf eine Dichte von 1,378 g/ccm· verbunden·

hach der Binde-Stufe und nach öffnung der Vorrichtung wurden alle losen Seile manuell mit einer groben Peile entfernt. Bas Substrat wurde dann in der oben beschriebenen V/eise infiltriert." Die Dichte des Substrats war 1,4-9 g/ecm. Höhere Dichten wurden durch zusätzliche Infiltration erreicht.

Die mechanischen Eigenschaften von Proben mit einer Dichte von Ί,55 g/ccrn waren:

Liegefestigkeit Interlaminare Kerbschlag- E = Orientierung

Scherfestigkeit Zähigkeit nach der Höhe ο ρ

kg/cm mkg . 3? = Orientierung

■■ ■—; nach der Lange -

1O3Ü 616 96,3 .0,14-1

jioi Verwendung des Gewebes der Kureha Corp. wurden 32 Schichten l.ohle-Gewebe Kureha 1x1 Vierkant Gewebe mit aufgerauhter Oberfl;'ehe, 4-9,5 S schwor, wie oben beschrieben, vorbereitet und zur ncrctel-i-ung einer Scheibe von 92,07 mm Aussendurchmesser χ 22*22 mm Innendurchmesser χ 15?Ö8 mm Dicke aufgestapelt. Das Gewebe wurde zwischen zv:ei Planscheiben mittels Bolzen und zwei FiUtt-orn zusammengepresst. Seide Planscheiben hatten eine Aufführung mit Löchern von 6,35 ^mra- Durchmesser für den Gas-Durchgang. I.ach

3 09842/0855 _nRlo,_vm

ORIGINAL INSPECTED

υ :ι.ί Zusammenpressen hatte das oubr.trat eine Dichte von ü,50 .-;/cct:« bei einera !""asa-volumen von 51 Volumenprozent.

i.aCii üor Linde-Stufe wurde die Vorrichtung £^:;cöfmet. Alle losen -ιΛ-'.sorn v/urdon vom Substrat mit einer groben Feile weggenommen. Z.vicchon den späteren Infiltations-Läufen wurde die Scheibe -bearbeitet; dabei wurden Jeweils etwa 1,651 mm je Seite von der übex\£'l;:'che des Innen- und Aussendurchmessers und 0,813 mn je Soito von den Oberflächen der Scheiben weggenommen.

jL/io -änderungen der Dichte des Substrates bei der Infiltration noi diesen Läufen waren:

Ini'iltrationsfolp,-e bubstrat-Bichte AblagerunsrstemOeratür

/ccp G

1 1,35 1015

2 1,50 1040

3 1,60 1024 -1040

üic mechanischen Eigenschaften für Eroben mit einer Dichte von 1,'w>5 g/ccm wcren:

t^; Interlaminare Scherfestigkeit E = Orientierung kg/cm >. kg/cm nach der Höhe

ρ ' - F = Orientierung nach der Länere

1290 1370 422

L.c wurden 35 Schichten Kureha 8H/S Kohle-Gewebe, pcm- g schwer, vorbereitet, in 0°/90°- Anordnung gestapelt und wie beschrieben rcproGCt, um eine Platte 177,BO x 153»2O χ 25,4 mm herzustellen. -/■ic ;/alv ;r:t-i)ichte vor der Infiltration betrug 0,505 g/ccm bei Giner.i r'accrvolumen von 31,5 Volumenprozent.

309842/0856 original inspected

Die Änderungen der üubstratdichte bei der Infiltration waren: Lach dor Binde-Sufe zu Beginn: 0,92 g/cem Nach der ersten Infiltration : 1,54- " ■Üäch der zweiten Infiltration: 1,55 " Räch der dritten Infiltration: 1,69 "

mechanischen Eigenschaften für Proben mit einer Dichte von 1?ö7 g/ccm v/aren die folgenden:

Biegefestigkeit Interlaminare Kerbschlag— E = Orientierung

Scherfestigkeit Zähigkeit nach dsr Höhe

² W„_m ² mi,-,, ^ = Orientierung

qg/cm . kg/cm mkg

nach der Länge

1490 1250 330 0,085?

Beispiel 4 - Serstellung geformter Strukturen aus Graphit-Gewebe

In diesem Beispiel wurden Substrate mit unregelmäßigen Pormen aufgebaut und behandelt, um die Möglichkeit zur Herstellung von Produkten komplizierter Gestaltungen zu demonstrieren. (a) -^s wurde eine männlich-weibliche Form für eine Leitkante aus liLIi-Graphit angefertigt, um ein Teil herzustellen, das eine Haut von 0,381 mm Dicke bei einem Radius von 25,4- nm. der Leitkante, 127 mm Länge und 63,5 mm Abstand" zwischen den Häuten am offenen Ende besaß.

Kg wurden acht Gewebe-Schichten aus Graphit G-155⁰ 133»3 x 381 mm nach vorangehender Oberflächenbehandlung in einer O°/90°-Anord-

nung gestapelt. Das Gewebe hatte ein Gewicht von 0,025 g/cm . jJac Substrat wurde auf eine Dicke von 3jS1 mm in die Eorm der

309842/0855

Loitkr.ntc ί"ορ;οη Abstandshalter gepresst;: dabei wurde eine Aus-Kanp-cdichte von 0,54- g/ccm rait einem Pa servo lumen von 35 Volumenprozent erhalten.

Danach wurde das Substrat in der oben beschriebenen Weise nrsbun— den. «ach der Binde-Stufe wurde die Form geöffnet und die gesamte überschüssige, an der Oberfläche des Teils klebende pyrolyti-L-.ehe Kohle mit Sandpapier entfernt.

Das '.i'eil vmrde weiter unter den gleichen Qfenbedingungen infiltriert, die in der Binde-Stufe zu einer Dichte von 1,57 g/ccm

führten.

(b) 3s uTirde eine 5'orra wie unter (a) vorbereitet. Die Dimensionen dos i'eils waren: 3,81 nun Dicke, 152/I- mm Weite und 279,4- ^m Lenge mit einer "Stauwellen"-artigen Konfiguration in der Seitenansicht, v/ie aus der Seitenansicht ersichtlich v/erden zwei ^O,8 !..ι.: lange Abschnitte mit einer Dicke von 3810 mm, die in einem Abstand von 25,4- mm parallel zueinander verlaufen, in der kitte verbunden, um die Wellenform zu bilden mit einem allmählich einmündenden Radius vom 93,98 mm.

Acht Schichten von G-1550-Gewebe, mit einem Gewebegewicht von

0,025 e/cüi, 190,50 χ 311. mm, wurden nach Oberflächenbehandlung in 0°/90 -Anordnung aufgelegt. Das Substrat wurde in die Porm .'■•oproiy-t und erhielt eine Dichte von 0,54- g/ccm mit einem Faserifion von 3S Volumenprozent*

309842/0855

Das i'eil wurde gebunden und unter den gleichen Ofenbedingungen wie' oben beschrieben infiltriert; es'wurde eine Dichte von * ·> 57 g/ccm erhalten.

Beispiel 5 - Fas.erförmige Substrate mit hohem Modul und hoher Beständigkeit aus dünnschichtigem.Kohle- oder Graphit-Band. .

(a) Zwanzig Schichten aus dünnschichtigem, unbehandeltem Band von Wittaker Morgan Inc., als Modmor Typ II Kabel bezeichnet, wurden zu einer Platte, jede Schicht 104,7 x 104,7 mm, in waagerechter. Lage, verlegt. Jede Lage war um 90 gegen die vorangehende versetzt. Das Substrat in 0⁰/90°-Anordnung wog 28,5 g. Di© Planschelbon der Vorrichtung hatten eine Ausführung mit wahllos "angebrachten Löchern von 35175 ^mm Durchmesser zur Erleichterung des Gasdurchgangs. Die Anordnung wurde gegen Abstandshalter zusammengepresst; es 'Wurde eine Substratdichte von 0,82 g/ccm bei einem Easervolumen von 48,2 Volumenprozent erhalten.

Das unbehandelte Kodmor II Band bestand aus Kabeln mit 10 000

L. Die Einzelfasern hatten eine Zerreißfestigkeit von

,.<;- 6oo kg/cm^, einen Elastizitätsmodul von 2 810 000 kg/cm¹"' und ein spezifisches Gewicht von 1,7 g/ccm.

• Di.; Anordnung wurde nach dem isothermen Standard-Infiltrations Verfaliren infiltriert. Die Dichte erreichte 1,284 g/ccm.

Platte vmrde auf eine Dichte von 1,75 "g/ccm weiter infil-

30984270855

23152C7

tricrt. Die Auscenflachen wurden leicht mit Sandpapier zwischen den Infiltrations-Läufen abgerieben.

Me Biegefestigkeit für Proben von 1,27 x 4,75 x 25,4 mm, er-

_ ρ ' ■

uittelt in dor Längsrichtung, betrug 4220 kg/cm .

(b) Zwölf Cc !lichten aus einem dünnschichtigen Band von Eitco, bezeichnet als .HG-19G0, wurden in gleicher Richtung auf eine xlanscheibe gelegt. £G-19GQ ist ein Band von der Webart 8H/S

r. it xOlyacrylfasern von hohem Kodul in der Ketteinrichtung. Die Uigcnscliaften der Polyacry!fasern waren: Modul: 2 460 CCO kg/cm und Zugfestigkeit- 14 100 kg/cm . Die: Faserdichte betrug 1,78 n/ccm. Die zwölf Bandschichten wogen 5G,1 g> die Band-Oberflächen wurden vor dem Einlegen nicht konditioniert. Die Platten-Diinenciionen waren: 107,9 x 107,9 x 3,9 mm_o Das aufgebaute Substrat hatte nach dem Zusammenpressen eine Dichte von 0,67 g/ccm ir.it einem Faservolumen von 3&}9 Volumenprozent. Bei einer Dichte von 1,66 g/ccm vmrde eine Biegefestigkeit von 4650 kg/cm , orientiert nach der Hohe, gemessen..

(c) Z>/ölf Schichten aus Band von Hitco, bezeichnet als HG 19C0, wurden in 0 /90 -Anordnung aufgebaut. Das . Schußgarn in beiden oberflächen jeder Bandschicht wurde durch Reiben mit feiner iJtchlwolle gefasert; dabei wurde ein niedriger Flaum erzeugt. Alle Zieste der stahlwolle wurden mit einem starken Magneten ent-

X 0ΓΊ1 υ ·

uic iiir.:on:jionon der i^Jlatte waren: 107,9 x 1C7»9 x 3»9 mm, ihr

309842/0855

Gev/icht betrug 29,0 g. Die Ausgangsdichte nach dem Zusammenpressen war 0,55 g/ccm mit einem Faservolumen von 55,5 Volumenprozent . Bei einer Dichte von 1,69 g /ecm wurde eine 3iegefestig-Ic ο it von 5610 kg/cm , orientiert nach der Höhe, gemessen..

(d) Es wurden sechzehn Schichten eines EG i9pO Bandes mit dem Gev/icht von 4-0,0 g in gleicher Richtung aufgelegt. Die Band-Ob er ."".lachen wurden vor dem Einlegen nicht konditioniert. Die Dimensionen der Platte waren: 107,9 x 107,9 x 4-,62 rnm. Das aufpebeoite Substrat vmrde durch Zusammenpressen auf eine "Dichte von 0,74-2 g/ccm mit einem Faservolumen von 4-1,7 Volumenprozent verdichtet. Bei einer Dichte von 1,68 g/ccm wurde eine Biegefestiglcoit von 5280 kg/cm'", nach der Höhe orientiert, gemessen.

ule folgende Tabelle zeigt die Dichten der Platte für Substrate nach den Absätzen (b), (c) und (d) vor und nach der Binde-Stufe.

Absatz Faservolumen Dichte vor Dichte nach Nenn-Dichte nach

	V0I.S&	der Bindung g/ccm	Infiltrat1on
(b)	58,2	0,68 1,27 '	1,68'
(0)	56,5	0,65 1,52	1,72
(d)	50,6	0,90 1,07	1,70.

309842/085B

Beispiel 6 - Substrate, geformt aus nichtgewebten Kohle-Faser-Vorläufern, wie Polyacrylnitril, Pech oder Sayon.

Vier Schichten aus genähtem Modmor II ITiIz mit einen Gesamtgewicht von 11 »8 S wurden auf 1.01,85 x 66,36 mm geschnitten und in einer Vorrichtung wie in den vorangehenden Beispieln auf eine Dicke von 717 ^r»m verdichtet. Die Dichte des zusammengepressten Filzes betrug etwa 0,2 g/ccm bei einem Faservolumen von etwa 10 Volumenprozent.

Sie Substrat-Schichten wurden nach den Standard-Infiltrations-Lcdingungen gebunden; die Dichte nach dem Binden v/ar 1,13 g/ccm. V/eitere Infiltration führte zu einem Verbundstoff mit einer End-Diciito von 1,84 g/ccm.

■ 2 2

Die Biegefestigkeit betrug I3OO kg/cm (1520 kg/cm maximal), orientiert nach der Höhe, und 1070 kg/cm , orientiert nach der

Länge; die interlaminare Scherfestigkeit war 353 kg/cm .

Kureha Kohle-"V/olle" aus 101,60 mm langen Pech-Vorläufer-Stapelfasern wurden in eine hohle zylindrische Spindel verdichtet; die Dimensionen des Substrats waren 104,78 mm Aussendurchmesser :c 25 j 4 ram Innendurchmesser χ 57 »Ί 5 κ© Höhe. Die Subs tr at dichte vor der Infiltration war 0,3 g/ccm bei einem Faservolumen von IcJ,ö Volumenprozente isach der Bindung wurde das Substrat aus der .Vorrichtung genommen und auf eine End-Dichte von 1,76 g/ccm wei-.tor verdichtet.

309842/08 5 5

Die Milderungen der Substratdichte bei der infiltration waren:

Lach der ersten Binde-Stufe 0,4-79 g/ccm

Lach der or et cn Infiltration 1,657 "

Lach dor sv/eitoii Infiltration 1,75 "

Lach dor dritten Infiltration . 1,76 "

x)io mechanischen Eigencchaften dieses Substrates sind:

- ienrefesti^lcait Druckfestigkeit

Il, ■ Ί? kn:/cm E F

o80 ' 810 14-00 . 1320

δι) = ürionticrun[c nach der Höhe
ϊ>' = Orientierung nach der Länge

309842/085.5
ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

1. \ Mit Fasern hoher Festigkeit verstärktes !Formteil aus j

Verbundmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß es ein dehnbares, faserförmiges kohlenstoffhaltiges Material enthält, das durch in den Zwischenräumen niedergeschlagenes, pyrolytisches Material gebunden und aus einer Vielzahl von Schichten aus einem gewebten, tuchähnlichen Material aus Kohlenstoff-Fasern zusammengesetzt ist, die untereinander durch einen Überzug aus auf die aneinander-grenzenden Fasern herum abgeschiedenem pyrolytischem Material verbunden sind.

2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Kohlenstoff-Fasern einen hohen Modul aufweisen und in nichtorientierter Weise angeordnet sind.

3. Formteil nach einem oder beiden der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrolytisch^ Material aus pyrolytischer Kohle bzw. Kohlenstoff, pyrolytischen Graphit, Bor-

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r,itrid, Siliciumnitrid, 'x'iton, Tantal, V/olfram, Molybdän, I.'iob, '!•antalcarbid, iiiobcarbid, Zirkonearbid, Hafniumcarbid, Titan-■ carbid oder Siliciumcarbid besteht.

'ν. Verfahren zur Herstellung einespormteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) ο in Substrat durch planvolle Vereinigung eines dehnbaren, fascrförmigen Materials aus Kohle in ein Grundsubstrat mit optir/.-lor Faser-Konfiguration für die spezielle Verwendung als Endprodukt aufgebaut,

(b) das Grundsubstrat in ein geformtes Substrat gestaltet,

(c) das gestaltete Substrat in ein gebundenes Substrat durch l.iedorschlagen pyrolytischen Materials, in die Zwischenräume dos gestalteten Substrats zur strukturellen Bindung des faserförni-[•cn. Katcrials aus Kohle mit pyrolytisehern Material ausgebildet unci

(d) das gebundene Substrat durch v/eiteres Niederschlagen von Oyrol7/tischera Material in seine Zv/ischenräume verdichtet wird,

t>. VorjL ehren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet-, daß als pyroi.,ti:;cliu3 Material pyroly tische Kohle, pyroly tischer Graphit, • ..--ornitrid, tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal carbid, i.iobcarbiü, Zirkoncarbid, liafniumcarbid oder Siliciumcarbid ver-

v-'ovl'et wird. ' . - ...

... Vc„.-r· Liren, zur Iicr stellung eines fasorversti'rkten Formteils aus Ver-,.iU:i> ..'.toff, dadui'ch ^-okeLi^scicIinet, o.aß
(.-.) ein.; Vielzahl geformter üegniente aus einem faserförmigen

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aus Kohle in aer Form eines gewobeartigen haterials aus Äohle in einer planvollen Orientierung der Fasern in ein Grund-GUbstrat vereinigt,

(b) aas Grundsubstrat äusserem Druck zur Herstellung eines geformten Substrats mit vorgewählter Dichte und einer dem Endprodukt praktisch gleichen Form unterworfen,

(c) ein gebundenes Substrat dadurch gebildet wird, daß dieses :;Gformte Substrat in seine profilierte Konfiguration gepresst und erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Gases zur Herstellung eines gebundenen Substrats, in dem pr/roly tische Kohle das faserförmige Katerial aus Kohle, aus dem das Substrat besteht, miteinander verbindet, ausgesetzt wird,

■ (d) das gebundene Substrat erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Gases zur Erhöhung seiner Dichte durch niederschlagen pyrolytischer Kohle überall im gebundenen Substrat unterworfen wird.

y. Verfahren nach Anspruch 6, do.durch gekennzeichnet, daß als gewe-"ooartiges "material aus Kohle pyrolysierter Eayon, pyrolysiertes .polyacrylnitril oder pyrolysierte Vorläufer-Fasern aus Pech verv;CiK.!.o b ν/erden β

ο. Vox'fahron zur iierstel7Lung eines faserverstärkten Normteils aus ^or-'uunaotoff, dadurch rrekennzeichnot, daß Ca) -.ic Obc-rf l-^: chen eines dehnbaren, gewebeartigen Platerials aus i-oiilc, iiao von miteinander verviobenen Kohlefasern gebildet v/ird, oliimn oinoc Flors aus einer Vielzahl nach aussen ra.'cen-

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tier Jxohlc-Faserh abgerieben werden*

(b) dass dehnbare , gewebeartige Material aus i£ö'hl§ in¹ eihe' Ifi zohl geformter Segmente vorbestimmter Körifigürätiöfi geschnitten wird,

(c) die geformten Segmente in ein Grundsübsträi düröh Stapeln der¹ Segmente üb ere inender voreiüigt werden*

(d) das Grund substrat äüssereffi Drück zur Bildung feines äüsgestäi^ .beten Substrats mit einem vorgewählten Faservoiütfleii und einer dein Endprodukt praktisch gleichen Form unterworfen,-

(e) ein gebundenes Substrat dadurch gebildet wird,« daß das ausgestaltete Substrat in seine profilierte Konfiguration' gepresst ' und dieses einer Temperatür von etwa ÖGÖ bis etwa 13GO⁰G in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Gases, wie Methan j zur Herstellung eines gebundenen Substrats, in welcheiii pyrölytische ,Kohle das faserförmige Material aus KoIiIe^ aUs dem das Substrat bijcteht, aneinander bindet, ausgesetzt wird, Und

(f) das gebundene: Substrat in freiem Stand einer Temperatür von etwa 800 bis etwa 130O⁰C in Gegenwart _y eines kohlenstoffhaltigen Gases, wie Hethan, ausgesetzt wird, um pyrolytisch^ Kohle überall in den Zwischenräumen des gebundenen Substrats abzulagern.

Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Normteils aus Verbundstoff von hoher Festigkeit, dadurch gekeniizeiöhnet, daß (a) ein Grundsubstrat durch Zusammensetzen eines dehnbaren, nicht gewebten, faserfÖrmigen Materials aus Kohle aufgebaut, (n) do α Grundsubstrat äusseren Drücken zur Bildung eines G ton Substrats mit einer erwünschten Dichte und einer dem Endprodukt praktisch gleicheil Form unterworfen, . . ' ' (c) das geformte Substrat in ein gebundenes Substrat dadurch

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übergeführt wird, daß pyrolytisches Material in die Zwischenräume des geformten Substrats so niedergeschlagen wird, daß es das faserförmige Material aus Kohle verbindet, und (d) das gebundene Substrat erhöhten Temperaturen in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Gases zur Erhöhung seiner Dichte durch Ablagern pyrolytischer Kohle überall in seiüen Zwischenräumen unterworfen wird.

1ü. Vorfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als nicht gewebtes, faserförmiges Material aus Kohle pyrolysierter Royon, pyrolysiertes Polyacrylnitril und pyrolysierte Vorläufer— Fasern aus Pech verwendet werden.

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