DE2315207B2

DE2315207B2 - Verfahren zum herstellen von mehrschichtigen kohlenstoffkoerpern

Info

Publication number: DE2315207B2
Application number: DE19732315207
Authority: DE
Inventors: Dieter Werner Whittier Calif. Bauer (V.St.A.)
Original assignee: Ausscheidung in: 23 65 823 Ducommun Inc., Wilmington, Del. (V.St.A.)
Priority date: 1972-03-28
Filing date: 1973-03-27
Publication date: 1976-07-15
Also published as: GB1423240A; FR2189207A1; JPS5551769A; DE2365823A1; DE2315207A1; CA1012726A; JPS5938179B2; FR2189207B1; US3895084A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mehrschichtigen Kohlenstoffkörpern, bestehend «us einer Schichtung übereinander angeordneter Kohlenstoffaserschichten, wie Geweben, Vliesen u. dgl. und Kombinationen derartiger Faserschichten, die den jeweiligen Anforderungen an den herzustellenden Körper hinsichtlich der physikalischen und mechanischen Eigenschaften entsprechend unter Umständen unterschiedlich ausgewählt und/oder angeordnet sind und ein diesen Anforderungen entsprechendes bettimmtes Faservolumenverhältnis besitzen und durch Kohlenstoff oder ähnliches pyrolytisches Material miteinander fest verbunden sind, bei welchem Verfahren die Kohlenstoffaserschichten übereinandergelegt ho und verpreßt werden und pyrolytisch Kohlenstoff oder ähnliches pyrolytisches Material angelagert wird, wobei sich ein Verbund einstellt.

Unter dem Begriff »Faservolumenverhältnis« wird hier und im folgenden stets der Anteil des Volumens der <*< Fasern am Gesamtvolumen des Kohlenstoffkörpers verstanden.

Ein Verfahren der vorstehend erläuterten Art, bei dem allerdings die Auswahl und/oder Anordnung der Faserschichten und die Einhaltung eines bestimmten Faservolumenverhältnisses nicht in Erwägung gezogen werden, ist bekannt (»Berichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft e.V.«, Band43, S.207). Hiernach werden Kohleniitofflaminate nach der Verkokung der Fasermaterialien verpreßt und in Kohlenwasserstoffatmosphäre erhitzt, um pyrolytischen Kohlenstoff auf den Einzelfasern und deren Verbindungsstellen abzulagern.

Es sind auch bereits Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Kohlenstoffkörper bekannt, bei denen organisches Fasermaterial verpreßt, karbonisiert und gegebenenfalls nach einem Tränken mit einem Kohlenstoff abgebenden Kunstharz — auf pyrolytischem Wege verdichtet wird (US-PS 32 33 014 und 32 38 054). Wie sich gezeigt hat, gestatten jedoch diese Verfahren keine genaue Kontrolle der erzielbaren Dichte der Kohlenstoffkörper und die Einbeziehung des Karbonisierungsschrittes in das Verfahren führt überdies zu erheblichen Form und Abmessungsschwankungen, die die Herstellung genau bemessener Formteile ausschließen.

Schließlich ist es auch bereits bekannt, Kohlenstoff-Formteile dadurch herzustellen, daß in die gewünschte Form verbrachte karbonisierte Fas-miaterialien ohne Verprossen durch Anlagern von Dyrolylisthem Kohlenstoff hochverdichtet werden. Die hierdurch erzielbaren Kohienstoffkörper haben jedoch zu geringe Festigkeiten, um für hohe Beanspruchungen geeignet zu sein (vgl. GB-PS 11 63 979).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Kohlenstoffkörper vorzuschlagen, das erheblich höhere Festigkeiten, eine gleichmäßige gezielte Dichte und eine eng tolerierbare Formhaltigkeit der hergestellten Kohlenstoffkörper ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verpressen genau auf das im Endprodukt erforderliche Faservolumenverhältnis des Kohlenstoffkörpers erfolgt, wobei ein Faservolumenverhältnis von 10% nicht unterschritten und von 69% nicht überschritten wird, und das Anlagern nur bis zu einem Stadium durchgeführt wird, in dem der Verbund eine Handhabung ohne Formveränderung der Schichtung zuläßt, und daß das Anlagern weiteren Kohlenstoffes od. dgl. erst danach erfolgt.

Es hat sich gezeigt, daß bei Einhaltung des hier vorgeschlagenen Verfahrens die Festigkeit und Verschleißsicherheit der so hergestellten Kohlenstoffkörper auf ein Mehrfaches der Werte angehoben werden konnten, die mit den vorstehend erläuterten bekannten Verfahren erzielbar sind. Dabei läßt sich die Festigkeit durch die entsprechende Wahl und genaue Einhaltung des Faservolumenverhältnisses sowie durch eine Optimierung bezüglich der gegenseitigen Ausrichtung der Faserschichten vor dem Verpressen gezielt steuern. Darüber hinaus ist es möglich, auch eng tolerierte genau bemessene Formteile für hohe Beanspruchungen ohne weitere Nachbearbeitung herzustellen. Durch eine von vornherein festgelegte Anordnung des Verlaufs der Fasern relativ zueinander können die Festigkeitseigenschaften des fertigen Kohlenstoffkörpers in an sich bekannter Weise (vgl. US-PS 36 29 049) gezielt beeinflußt werden.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, den zweiten Verfahrensabschnitt, in welchem das Anlagern weiteren Kohlenstoffs ohne Verpressung erfolgt, mehrstufig auszuführen, deran,

daß beispielsweise die Anlagerungstemperaturen, die Drücke u.dgl. jeweils in Abhängigkeit von der zunehmenden Dichte des Kohlenstoffkörpers verändert werden. Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform des Verfahrens kann zwischen den einzelnen Verfahrensstufen eine Bearbeitung, j_B. eine Entkrautung, durchgeführt werden.

Es versteht sich, daß im Rahmen des erfindungsgemä ßen Verfahrens alle verfügbaren Kohlefaern zum EinsaU kommen können, die aus natürlichen oder synthetischen Fasern, ζ. B. Wolle, Rayon, Polyacrylnitryl, Pech usw. durch Karbonisieren erzeugt werden. Hierzu zählen auch Graphitfasern, die aus den genannten Ai^gangsprodukten durch Karbonisieren bei Temperaturen von 2000° C und darüber erzeugt wurden. _H Auch für die Pyrolyse können die einschlägig bekannten pyrolytischen Materialien (vgL GB-PS 1163 979) zur Anwendung kommen.

Es erweist sich weiterhin als zweckmäßig, die als Ausgangsprodukt für das Verfahren dienenden Kohlen- «toffaserschichten vor dem Verpressen einer Aufrauhbehandlung zu unterziehen, beispielsweise durch Bürsten oder Sandstrahlen, um hierdurch eine bessere Bindung zwischen den einzelnen Gewebeschichten zu erzielen. Dies trägt zur Erhöhung der interlaminaren Scherfestigkeit des Kohlenstoffkörpers bei.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen der Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sowie anhand von Beispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Sprengdarstellung einer Vorrichtung zum Verpressen übereinander angeordneter Kohlenstofffaserschichten,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung mit übereinandergelegten Kohlenstoffaserschichten in verpreßtem Zustand,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2 in vergrößertem Maßstab, der das Ineinandergreifen vorstehender Fasern der Kohlenstoffaserschichten veranschaulicht,

Fig.4 eine der Fig.3 ähnliche Darstellung einer Schichtung übereinander angeordneter Kohlenstofffaserschichten, bei der zwischen Schichten aus gewebten Fasern Schichten aus wahllos orientierten Fasern angeordne; sind, und

F i g. 5 und 6 schematische Querschnitte durch Vorrichtungen zum Verpressen, mit denen Kohlenstoffkörper in Gestalt von Formteilen hergestellt werden können, die eine weitere formgebende Bearbeitung nient benötigen. so

Die Vorrichtung 12 zum Verpresson gemäß Fig. 1 und 2 besieht aus Metall, keramischem oder sonstigem feuerfesten Material, z. B. Graphit. Sie umfaßt ein Paar von Platten 14, von denen jede eine Vielzahl durchgehender Öffnungen 16 sowie radialer Nuten 18 aufweist. Die Nuten 18 liegen auf den einander zugewendeten Seiten der Platten 14. Zwischen den Platten sind Planscheiben 20 angeordnet, auf denen sich die dazwischen befindlichen Kohlenstoffaserschichten abstützen und die ebenfalls durchgehende Öffnungen 2? f>o besitzen. Die Öffnungen 16, 22 sowie die Nuten 18 dienen der Zirkulation des kohlenstoffhaltigen Gases.

Zunächst wird übet das bekannte spezifische Gewicht der zur Verfügung stehenden Kohlenstol fasern die Anzahl oder das Gewicht der Gewebeschichten t>s errechnet, die bzw. das zur Erzielung des erforderten Faservolumens im fertigen Kohlenstoffkörper notwendig ist. Werden die Gewebeschichten mit der notwendigen Anzahl, wie nachfolgend erläutsrt, auf das Volumen des herzustellenden Kohlenstoffkörpers zusammengepreßt, so ist hierdurch die Aisfangsdichte des Kohlenstoffkörpers (gemessen in g/cm³), & h. die Dichte vor dem Anlagern von Kohlenstoff, bestimmt Auf diese Weise wird in der Hauptsache im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das jeweils gewünschte Faservolumenverhältnis im fertigen Kohlenstoffkörper festgelegt

Die Kohlenstoffaserschichten, z. B. kreisförmige Gewebescheiben 24, werden auf die untere Planscheibe 20 aufgelegt und auf diese Weise eine Schichtung erzeugt, die eine größere Gesamthöhe als die gewünschte Höhe des fertigen Kohlenstoffkörpers besitzt Anschließend wird die obere Planscheibe auf die Schichtung aufgelegt und die so geschaffene Konfiguration zwischen die Platten 14 eingebracht Zur genauen Einstellung des erwünschten Abstandes zwischen den Planscheiben 20 dienen mehrere Stäbe 25 mit endseitigem Gewinde, das durch die Platten 14 hindurchragt und auf welches Muttern 26 aufgeschraubt werden können. Zwischen die Planscheiben 20 werden Abstandsstücke 28 bekannter Länge eingesetzt, die die Grenze der gegenseitigen Annäherung der Planscheiben 20 durch Anziehen der Muttern 26 bestimmen. Die Länge der Abstandsstücke 28 bestimmt die Höhe des fertigen Kohlenstoffkörpers und somit in Verbindung mit den Querschnittsabmessungen, d. h. der Form der einzelnen Gewebeschichten, auch das gewünschte raservolumenverhältnis.

Die Ausführungsform der Vorrichtungen zum Verpressen nach den F i g. 5, 6 stimmt grundsätzlich mit derjenigen nach Fig. 1, 2 überein. Unterschiedlich ist lediglich, daß die die Schichtung einschließenden Platten von vornherein zur Formgebung des Kohlenstoffkörpers dienen und entsprechend geformt sind. So zeigen die Fig.5, 6 Vorrichtungen zur Herstellung einer Stauklappe bzw. einer Vorflügelkante eines Flugzeuges.

Durch die eingangs erwähnte Aufrauhbehandlung der Kohlenstoffaserschichten vor dem Verpressen, beispielsweise durch Bürsten oder Reiben mittels Sandpapier oder Stahlwolle oder durch Sandstrahlen, erhält man — gegebenenfalls auf beiden Seiten — einen Flaum, der zur gegenseitigen Bindung der Kohlenstofffaserschichten im verpreßten Zustand und damit zur Erhöhung der interlaminaren Scherfestigkeit oder Spaltfestigkeit beiträgt (vgl. F i g. 3, 4). Dabei kann so vorgegangen werden, daß in der Vorrichtung zum Verpressen die Seite mit dem höchsten Flaum bei jeder Gewebeschicht in der gleichen Richtung liegt. Die Kontaktstellen des Flaumes bilden Keimstellen für das anschließend angelagerte pyrolytische Material. Es hat sich außerdem gezeigt, daß durch die Öffnungen 22 in den Planscheiben 20 beim Verpressen ein Druckmuster in den Kohlenstoffaserschichten erzeugt wird, das ebenfalls zur Erhöhung der Spaltfestigkeit beiträgt.

Nach Herstellung der Schichtung und im verpreßten Zustand werden die Kohlenstoffaserschichten nach bekannten Techniken mit pyrolylischem Materia überzogen. Es ist von Bedeutung, daß während dei »Bindestufe« des Verfahrens jede Einzelfaser gleichmä Big mit einem Überzug versehen wird, um di< benachbarten Fasern wirksam miteinander zu verbin den. Die Bindestufe wird in einem Ofen unter Vakuum ii einem Temperaturbereich von etwa 800 bis 1845°( ausgeführt. Der pyrolytische Kohlenstoff wird beispiels weise aus einem Gas, ζ. Β. Methan, niedergeschlager Der Druck kann im Bereich zwischen 1 bis 760 mm H; (vorzugsweise zwischen 1 bis 50 mm Hg) liegen. De

Durchsatz an Methan bewegt sich innerhalb eines weiten Bereiches, z. B. von 142 bis 10 200 Liter/Stunde; die bevorzugte Ofentemperatur beträgt etwa 1000⁰C. Die Infiltrationszeiten der Bindestufe variieren zwischen 10 bis 200 Stunden, je nach Ofengröße. Die s Geschwindigkeit der Anlagerung ist eine Funktion des Ofendrucks, der Temperatur, des Gasdurchsatzes, der Zusammensetzung des pyrolytischen Materials und der Verweilzeit der Schichtung im Ofen. Die für eine wirksame Bindung der Fasern der Kohlenstof faserschichten aneinander benötigte Zeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Faservolumen der Schichten, der Skelettstruktur der Schichtung und der Porengröße und Orientierung der Fasern.

Anschließend an die Bindestufe, in der die einzelnen Kohlenstoffaserschichten so weit aneinander gebunden werden, daß eine Handhabung der Schichtung ohne Formveränderung möglich ist, erfolgt die weitere Anlagerung von Kohlenstoff oder pyrolytischem Malerial. Wie schon in der Bindestufe können auch in dieser zweiten Verfahrensstufe unterschiedliche pyrolytische Materialien eingesetzt werden. Die Verfahrensbedingungen in der zweiten Verfahrensstufe entsprechen im allgemeinen denjenigen der Bindestufe.

Für gewisse Anwendungen, in denen Kohlenstoff kör- ₂s per mit verhältnismäßig hoher Dichte verlangt werden, ist es zweckmäßig, die Außenflächen der Schichtung in Abständen leicht zu bearbeiten, um Verkrustungen zu entfernen. Insbesondere bei Erzeugung von Kohlenstoffkörpern mit Dichten im Bereich von 1,5 g/cm³ und darüber ist es von Vorteil, die Anlagerungstemperatur, die Gasgeschwindigkeit und die Ofendrücke periodisch an die zunehmende Dichte anzupassen, um eine Gleichmäßige Verdichtung zu erhalten.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren 3«, anhand vor, Versuchsbeispielen näher erläutert. In diesen Versuchsbeispiclcn erscheinen folgende Begriffe mit den hierunter angegebenen Bedeutungen:

»Faservolumenverhältnis« als Anteil des Volumens der Fasern am Gesamtvolumen des Kohlenstoffkörpers; »Faservolumen (Volumenprozent)« als Faservolumen bezogen auf das Gesamtvolumen im jeweiligen Zustand; »Biegefestigkeit« als im Biegeversuch ermittelte Biegespannung bei Bruch eines Probestabes (vgl. DIN 53452); »Spaltfestigkeit« als Trennfestigkeit von 4s Schichtpreßstoffen zur Kennzeichnung einer einwandfreien Verbindung (vgl. DIN 53463); »Ausgangsdichte« als Dichte der verpreßten Schichtung vor dem Anlagern von pyrolytischem Kohlenstoff; »Infiltration« als Hindurchleiten von Kohlenstoff abgebenden Medien zum Zwecke des pyrolytischen Anlagems von Kohlenstoff; »kantenweise Auflage« bzw. »flächenweise Auflage« als Angabe für die Art der Auflage eines einem Biegeversuch unterzogenen Probestabes (vgl. DIN 53452).

Beispiel 1

Ein Graphit-Gewebe mit einem Rayon-Vorläufer, hergestellt von Hitco als G-1550, achtbindiger Köper (8 H/S) bezeichnet, gelangt in diesem Beispiel zum Einsatz. Es wurden die Parameter untersucht, welche die Infiltrationseigenschaften und die mechanische Festigkeit der Kohlenstoffkörper beeinflussen. Für dieses Beispiel wurden fünf Schichtungen aufgebaut und mit pyrolytischem Material infiltriert Unterschiede in der inneren Konfiguration und der Porengröße des Substrats wurden durch Variationen der Faserorientierung und des Faservolumens herbeigeführt Das Faservolumen betrug 33,6 bis 693 Volumenprozent bezogen auf das Gesamtvolumen.

Zu Beginn wurde das geforderte Gewebe-(Faser-)Gewicht berechnet, um für jede Probe der erwünschte Faservolumen zu erzielen (s. Tabelle Nr. 1). Danach wurden beide Oberflächen des Graphitgewebes mit Stahlwolle von Hand abgerieben, um ohne Beschädigung des Gewebes den höchstmöglichen Flaum zu erzielen. Jeder Rest von Stahlwolle, der nach dem Abreiben zurückblieb, wurde sorgfältig mit einem starken Magneten entfernt. Dann wurde mit einer Schneidvorrichtung das Gewebe in die gewünschte Form gestanzt und dabei ein Falten, Knittern, Durchstoßen, Aufreißen oder Ausfasern vermieden.

Nachdem die richtige Zahl an Gewebeschichten aus Graphit für eine gegebene Schichtung geschnitten war, wurde mit dem Aufbau der Schlichtung begonnen. In einer Vorrichtung nach F i g-1 (mit einem Durchmesser der Löcher 22 von 635 mm und einem einzigen zentralen Stab 25) wurden die Gewebeschichten aufeinandergelegt. Die Kettenrichtung des Gewebes wurde als Bezugspunkt beim Schneiden und Anordnen benutzt und gewechselt, um eine 0"/90° versetzte Schichtung zu erhalten, die die Eigenschaften des Gewebes in der entsprechenden Orientierung ausgleicht. Es wurde dafür Sorge getragen, daß die Seite mit dem höchsten Flaum bei jeder Gewebeschicht in der gleichen Richtung lag.

Die Bindestufe wurde ohne Zusatz irgendwelcher reaktiven Stoffe oder Imprägniermittel ausgeführt. Die Betriebsbedingungen im Ofen waren:

Anlagerungstempcralur: 1040°C
Druck: 70 mm Hg.

Durchsatz von Methan: 242 Liter/Stunde.
Verweilzeit: 10 Stunden.

Nach der Bindestufe wurden die Vorrichtungen geöffnet und alle losen Fasern von den Substraten mit einer groben Feile entfernt

Die Bedingungen beim weiteren Anlagern von Kohlenstoff waren:

Anlagerungstemperatur: 10¹W⁰C.
Druck: 30 mm ± 3 mm Hg.
CH₄-Durchsatz: 6370 Liter/Stunde.
Verweilzeit: s. Tabelle Nr. 2

Zwischen den Infiltrations-Läufen wurden die Proben bearbeitet indem jedes Mal etwa Ij65 mm je Seite von den Oberflächen am Innen- und Außendurchmesser und 0,81 mm je Seite von den Scheibenoberflächen weggenommen wurden. Nach jeder Bearbeitung wurden alle Proben in Azeton mit Ultraschall gereinigt Nach Abschluß der weiteren Anlagerung wurden die Proben zur Bestimmung der Biegefestigkeit der Spaltfestigkeit und der Kerbschlagzähigkeit bei kantenweiser und flächenweiser Auflage der Proben überprüft. Die Ergebnisse zeigt Tabelle Nr. 3.

Gleichfalls überprüft wurde eine Probe mit 33,5Vol.-% Faservolumen, das auf eine Dichte von 1,71 g/cm³ infiltriert worden war. Dieses Matenal hatte eine Spaltfestigkeit von 362 kg/cm², einen im Biegeversuch ermittelten Ε-Modul von 233 000 kg/cm^J und eine Bruchdehnung von 1.13% (kantenweise Auflage). Wurde dieses Material bei 2980⁰C über zwei Stunden graphitisiert dann fiel die Biegefestigkeit auf 1120 kg/cm² (kantenweise Auflage) bzw. 963 kg/cm²

flächenweise Auflage). Der Ε-Modul fiel auf 43 000 kg/cm² (kantenweise Auflage) bzw. 30 000 kg/cm² (flächenweise Auflage). Die Bruchdehung ging auf 0,95% (kantenweise Auflage) bzw. 0,84%

(flächenweise Auflage) herunter. Die Spaltfesti wurde für das graphitisierte Material mit 155 kg und die Kerbschlagzähigkeit mit 7,05 cm k gemessen.

Tabelle 1

Substrat-Eigenschaften

Dimensionen von AD χ ID χ D

92,71
92,71
92.71
92,71
92,71
89,90

19.05 χ

19.05 *

19,05 χ

22,23 χ

χ 22.23 χ 19,05

16.5!

16.51

8,89

15,89

7,11

Beispiel

Dichte nach Verdichtung g/ccm

Faser-Volumen

0.504 0.678 0,717 0,813 0,842 1.04

33,3
45.2
47,8
54,2
56,1
69,3

Gewebe-Gewicht nach Verdichtung g

Zahl der Schichten

53,8 72,4 41.2 46,0 85,0 45,1

32 44 25 27 55

AD - Außendurchmesser, ID = Innendurchmesser. D = Dicke

Tabelle 2

Änderung de^r Dichte (g/cm³) in Abhängigkeit der Infiltrationszeit des Substrats

	Probe Nr.	5	b	8	9	1
	4
Dichte		0.717	0.678	0,842	0.813	1,04
vor der Infiltration	0,504	1,070	1.090	1,060	1.160	1.22
nach 10 Std.	0.910		1.520			1,49
nach 130 Std.		1.590		1.410	1.440
nach 160 Std.	1,630			1,490	1.560
nach 208 Std.			1,560			1.5C
nach 280 Std.

Tabelle 3

Mechanische Eigenschaften des infiltrierten Substrats

Probe	Enddichte	Biegefestigkeit	F	Spaltfcstigkcit	Kerbschlag- zähigkcit (kg cm/cm)
Nr.	(g/cm³)	(kg/cm^;)	1311	(kg/CIT]2)
		E	1258		5,14
4	1,63	1720 '	1333		—
5	1,64	1595	1278	—	4,13
6	143	1600	1370	273	5,49
8	1,49	1520	1065	287	—
9	1,56	1453	—	—
1	1.47	1690	—

Anm.: E — kantenweise Auflage. F - flächenweise Auflage.

Beispiel

Kohle-Kohle-Verbundstoffe sind als Bremsmaterial aufeinanderfolgenden Stufen waren in diesem Bi von Interesse wegen ihrer hohen Festigkeit bei hohen die gleichen wie im Beispiel 1, nur warei Temperaturen, ihrem hohen Reibungskoeffizienten und 6s Probenabmessungen größer. Es wurden fol ihrer Verschleißfestigkeit In diesem Beispiel wurde, wie Bremsscheiben hergestellt, um die Verfahrensbedi im vorangehenden, das Graphit-Gewebe von Hitco, gen für die Herstellung von Teilen in natürlicher < G-1550, achtbindiger Köper (8 H/S), eingesetzt Die zu ermitteln.

609 £

Scheibe Dimensionen der Scheibe vor der Infiltration

und nach der Bearbeitung/mm

FS/R Ausgangsgröße:

424,2 AD χ 193,04 ID χ 25,4 D Endgröße:
398,8 AD χ 219,20 ID χ 19,1 D

FR/5 Ausgangsgröße:

449,6 -4Dx 223,52 ID χ 25,4 D Endgröße:
424,2AD χ 248,92/D χ 19,1 D

D — Außendurchmesser, ID — Innendurchmesser, D -icke.)

Das G-1550-Graphit-Gewebe für die Scheibe FS/R ; 1423,3 g und für FR/5 1520,0 g. Die Ausgangsdichte jeder Scheibe beim Verdichten betrug 0,500 g/cm³ bzw. Φ.501 g/cm³ bei einem Faservolumen von 33,3 bzw. 33,4 Vol.-%.

Das Graphit-Gewebe aus dem Rayon-Vorläufcr Wurde in leicht hantierbare Segmente geschnitten: danach wurden beide Gewebeoberflächen von Hand mit feiner Stahlwolle aufgerauht. Alle Reste der Stahlwolle wurden entfernt. Die Kettenrichtung im Gewebe wurde abwechselnd geändert, um ein 0^D/90° versetztes Muster zu erhalten, das die Eigenschaften des Gewebes in der 0°/90°-Orientierung des Substrats ausgleicht.

Mittels einer Vorrichtung nach Fig. 1 wurden die Scheiben auf 25,4 mm hohe Abstandhalter zusammengepreßt, um das gewünschte Faservolumen zu erhalten (33 Volumprozent). Während der Bindestufe wurde die Dicke der Scheibe konstant gehalten.

Beide Scheiben wurden mit pyrolytischer Kohle unter den oben beschriebenen Verfahrensbedingungen verbunden.

Nach der Entformung hatten die Scheiben Dichten von 0,985 g/cm³ bzw. 1.230 g/cm³. Nach der Bindestufe wurden alle lockeren Teile mit einer groben Feile von Hand entfernt. Zwischen den anschließenden Anlagerungsstufen wurden die Scheiben bearbeitet, wobei jedes Mal etwa 1.65 mm von den Oberflächen am lnnen- und Außendurchmesser und 0.81 mm je Seite der Scheiben weggenommen wurden.

Beispiel 3

Vier verschiedene Kohlegewebe wurden als ein Teil dieses Beispiels untersucht, um die Wirkung des Gewebetyps und der Webart auf die Infiltration und die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Die eingesetzten Gewebe waren: 8-bindiges Köper-(8 H/S)-Kohlegewebe aus einem Rayon-Vorläufer GSCC-8 der Carborundum Corp. und drei Kohlegewebe aus Pech-Vorläufern der Kureha Corp, 1 χ 1-Vierkant-Gewebe. 2 χ 2-Vierkant-Gewebe (Panamabindung) und ein 8 H/S-Kohlegewebe.

Beide Oberflächen eines jeden Gewebetyps wurden von Hand mit Stahlwolle aufgerauht. Alle Reste der Stahlwolle wurden entfernt. Die Raumfasern zu% dem gewebten 2- oder 3strähnigen Garn wurden beim Zusammenpressen mit den Fasern der anliegenden Gewebeschicht vermengt und verfilzt Bei Schichtungen aus 8 H/S-Gewebe wurde die Kettenrichtung abwechselnd um 90° geändert Die Kohlegewebe wurden in Vierkant-Webart auf gesti pelt bei denen 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 Gewebeschicht in der gleichen Richtung lag. Das Verpressen erfolgt auf die gleiche Dicke.

ίο Bei Verwendung des Gewebes der Carborundum Corp. wurden 32 Schichten des Gewebes GSCC-8. 8 H/S, 150,1 g schwer, wie vorbeschrieben vorbereitet und in 0°/90°-Anordnung zur Herstellung einer Scheibe mit 155,7 mm Außendurchmesser χ 19,05 mm lnr.cn-

is durchmesser χ 15,9mm Dicke gestapelt. Die Dichte vor dem weiteren Anlagern nach dem Verpressen betrug 0,505 g/cm³ bei einem Faservolumen von 33,7 Volumprozent. Die Schichtung wurde unter Anwendung der isothermen Standard-Infiltration auf t-inc Dichte von 1,378 g/cm³ verbunden.

Nach der Bindestufe und nach Öffnung der Vorrichtung wurden alle losen Teile manuell mit einer groben Feile entfernt. Die Schichtung wurde dann in der oben beschriebenen Weise infiltriert. Die Dichte betrug 1,49 g/cm³. Höhere Dichten wurden durch zusätzliche Infiltration erreicht.

Die mechanischen Eigenschaften von Proben mit einer Dichte von 1,55 g/cm³ waren:

Bieget estigkeit
kg/cm-

Spaltfestigkeit
kg/cm-

ki: un/em

1038 616 96,3 5.52

E = kamenweisc Auflage. F = flächenwcise Auflage.

Bei Verwendung des Gewebes der Kureha Corp.

wurden 32 Schichten Kohlegewebe Kureha 1 χ 1-Vierkant-Gewebe mit aufgerauhter Oberfläche. 49,5 g schwer, wie oben beschrieben, vorbereitet und zur Herstellung einer Scheibe vom 92.07 mm Außendurchmesser χ 22.22 mm Innendurchmesser χ 15,88 mm Dicke aufgestapelt. Das Gewebe werde zwischen zwei Planscheiben mittels Bolzen und zwei Muttern zusammengepreßt. Beide Planscheiben hatten eine Ausführung mit Löchern von 6,35 mm Durchmesser für den Gasdurchgang. Nach dem Verpressen ergab sich eine

so Dichte von 0.30 g/cm³ bei einem Faservolumen von 31 Volumprozent.

Nach der Bindestufe wurde die Vorrichtung geöffnet. Alle losen Fasern wurden mit einer groben Feile weggenommen. Zwischen den späteren Anlagerungs-

stufen wurde die Scheibe ebenfalls bearbeitet: dabei wurden jeweils etwa 1.65 mm von der Oberfläche am Innen- und Auftendurchmesser und 0.81 mm je Seite der Scheibe weggenommen.

Die Änderungen der Dichte in den Anlagerungsstufen

ftf waren:

Anlagerungsstufe

Dichte
g/cm^J

Anlagerungstempera tut ⁰C

U5
150
1,60

1015
1040
1024-1040

Die mechanischen Eigenschaften für Proben mit einer Dichte von 1,65 g/cm³ waren:

Biegefestigkeit, kg/cm²

Spahfestigkeit
kg/cm-¹

1370

422

if = kantenweise Auflage, F = fläehenweise Auflage.

Es wurden 33 Schichten Kureha 8 H/S Kohlengewebe, 304 g schwer, vorbereitet, in 0°/90°-Anordnung gestapelt und wie beschrieben verpreßt, um eine Platte 177,80x 133,20 χ 25,4 mm herzustellen. Die Dichte vor der Infiltration betrug 0,505 g/cm³ bei einem Faservolu- inen von 31,5 Volumprozent.

Die Änderungen der Dichte bei der Infiltration waren:

Nach der Bindestufe zu Beginn
Nach der ersten Anlagerungsstufc
Nach der zweiten Anlagerungsstufe
Nach der dritten Anlagerungsstufe

0,92 g/cm³ 1,54 g/cm³ 1.65 g/cm¹ 1,69 g/cm¹

Die mechanischen Eigenschaften für Proben mit einer Dichte von 1.67 g/cm³ waren die folgenden:

Biegefestigkeit
kg/cm³

Spaltfestigkeit
kg/em^:

kerbsehlag-/ahigkeit
kg cm/ijni

1490 1250 330 3,36

E = kamcnweisc Auflage, F = flächenweise Auflage.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurden Schichtungen mit unregelmäßigen Formen aufgebaut und behandelt, um die Möglichkeit zur Herstellung von Produkten komplizierter Gestaltungen zu demonstrieren.

(a) Es wurde eine Form für eine Vorflügelkante aus HLM-Graphit angefertigt, um ein Teil herzustellen, das eine Haut von 3,81 mm Dicke bei einem Radius von 25,4 mm. einer Länge von 127 mm und einem Abstand von 63.5 mm zwischen den Enden besaß.

Es wurden acht Gewebe-Schichten aus Graphit G-1550 133,3x381 mm nach vorangehender Oberflächenbehandlung in einer O"/90°-Anordnung gestapelt Das Gewebe hatte ein Gewicht von 0,025 g/cm^?. Die Schichtung wurde auf eine Dicke von 3.81 mm in die Form gegen Abstandhalter gepreßt; dabei wurde eine Ausgangsdichte von 034 g/cm' mit einem Faservolumen von 36 Volumprozent erhalten.

Danach wurde die Schichtung in der oben beschriebenen Weise gebunden. Nach der Bindestufe wurde die Form geöffnet und die gesamte überschüssige, an der Oberfläche des Teils klebende pyrolytische Kohle mit Sandpapier entfernt Das Teil wurde dann weiter unter den gleichen Ofenbedingungen wie in der Bindestufe zu einer Dichte von 1,57 g/cm¹ verdichtet

(b) Es wurde eine Form wie unter (a) vorbereitet Die Dimensionen des Teils waren: 3.81 mm Dicke, 152,4 mm Breite und 279.4 mm Länge mit einer wellenartigen Konfiguration in der Seitenansicht

Acht Schichten von G-1550-Gewebe, mit einem Gewebegewicht von 0.025 g/cm², 190,50x311 mm.

wurden nach Oberflächenbehandlung in 0° ^"-Anordnung aufgelegt. Die Schichtung wurde verpreßt und erhielt eine Dichte von 0.54 g/cm³ mit einem Faservolumen von 36 Volumprozent, Das Teil wurde gebunden und unter den gleichen Ofenbedingungen wie oben beschrieben infiltriert; es wurde eine Dichte von 1,57 g/cm'erhalten.

Beispiel 5

(a) Zwanzig Schichten aus dünnschichtigem, unbehandeltem Band von Wittaker Morgan Inc., als Modmor-Typ-lI-Kabci bezeichnet, wurden zu einer Platte, jede Schicht 104,7 χ 104,7 mm, in waagerechter Lage verlegt. Jede Lage war um 90° gegen die vorangehende versetzt. Die Schichtung in 0°/90°-Anordnung wog 28,5 g. Es wurde eine Dichte von 0,82 g/cm³ bei einem Faservolumen von 48.2 Volumprozent erhalten. Das unbehandelte Modmor-Il-Band bestand aus Kabeln mit 10 000 Einzelfasern. Die Einzelfasern hatten eine Zerreißfestigkeit von 24 600 kg/cm², einen Elastizitätsmodul von 2 810 000 kg/cm- und ein spezifisches Gewicht von 1,7 g/cm³. Die Anordnung wurde nach dem isothermen Standard-Infiltrationsverfahren infiltriert. Die Dichte erreichte 1,284 g/cm³.

Die Platte wurde auf eine Dichte von 1,75 g/cm³ weiter infiltriert. Die Außenflächen wurden zwischen den Anlagerungsstufen leicht mit Sandpapier abgerieben.

Die Biegefestigkeit für Proben von 1,27 χ 4,75 χ 25,4 mm (flächenweise Auflage) betrug 4220 kg/cm².

(b) Zwölf Schichten aus einem dünnschichtigen Band von Hitco, bezeichnet als HG-1900. wurden in gleicher Richtung auf eine Planscheibe gelegt. HG-1900 ist ein Band von der Webart 8 H/S mit Polyacrylfasern von hohem Modul in der Kettenrichtung. Die Eigenschaften der Polyacrylfasern waren: Modul: 2 460 000 kg/cm ^: und Zugfestigkeit: !4 100 kg/cm². Die Faserdichio betrug 1,78 g/cm³. Die zwölf Bandschichten wogen 30,1 g. die Bandoberflächen wurden vor dem Einlegen nicht konditioniert. Die Plattendimcnsionen waren: 107.9 χ 107.9 χ 3,9 mm. Die aufgebaute Schichtung hatte nach dem Zusammenpressen eine Dichte von 0,67 g/cm³ mi' einem Faservolumen von 36,9 Volumprozent. Bei einer Dichte von 1.66 g/cm³ wurde eine Biegefestigkeit von 4650 kg/cm^:(kantenweise Auflage) gemessen.

(c) Zwölf Schichten aus Band von Hitco, bezeichnet als HG 1900, wurden in 0°/90°-Anordnung aufgebaut. Das Schußgarn in beiden Oberflächen jeder Bandschicht wurde durch Reiben mit feiner Stahlwolle gefasert: dabei wurde ein niedriger Flaum erzeugt Alle Reste der Stahlwolle wurden entfernt Die Dimensionen der Platte waren: 107,9 χ 107,9x3,9 mm. ihr Gewicht betrug 29,0 g. Die Ausgangsdichte nach dem Verpressen war 0,63 g'cm³ mit einem Faservolumen von 35,5 Vo lumprozent Bei einer Dichte von 1,69 g/cm³ wurde eine Biegefestigkeit von 3610 kg/cm² (kantenweise Auflage) gemessen.

(d) Es wurden sechszehn Schichten eines HG-1900-Bandes mit einem Gewicht von 40,0 g in gleicher Richtung aufgelegt. Die Bandoberfiächen wurden vor dem Einlegen nicht konditioniert Die Dimensionen der Platte waren: 107,9 x 107,9 χ 4,62 mm. Die aufgebaute Schichtung wurde durch Verpressen auf eine Dichte von

6s 0.742 g/cm¹ mit einem Faservolumen von 41,7 Volumprozent verdichtet Bei einer Dichte von 1,68 g/cm³ wurde eine Biegefestigkeit von 5280 kg/cm², nach dei Höhe orientiert gemessen.

Die folgende Tabelle zeigt die Dichten der blatte für Schichtungen gemäß (b>, (c) und (d) vor und nach der Bindestufe.

Faser- Dichte vor volumen der Bindung g/cm^J

Dichte nach der Bindung g/cm³

Nenn-Dichte

nach

infiltration

(b) 38,2

(c) 36,5

(d) 50,6

0.68 0.65

030

1,27 132 1.07

1,68 1,72 1,70

Beispiel 6

Vier Schichten aus genähtem Modmor 11 Filz mit einem Gesamtgewicht von 11,8g wurden auf 101,85 χ 8636 mm geschnitten und in einer Vorrichtung auf eine Dicke von 7,7 mm verdichtet Die Dichte des zusammengepreßten Filzes betrug etwa 0,2 g/cm³ bei einem Faservolumen von etwa 10 Volumprozent. Die Schichten wurden unter üblichen Infiltrationsbedingungen gebunden; die Dichte nach dem Binden war 1,13 g/cm³. Weitere Infiltration führte zu einem Verbund mit einer Enddichte von 1,84 g/cm³.

Die Biegefestigkeit betrug 1300 kg/cm² (1520 kg/cm² maximal) (kantenweise Auflage) bzw. 1070 kg/cm²

(flächenweise Auflage); die Spaltfestigkeit war 353 kg/

Kureha Kohle-»Wolle« aus 101,60 mm langen Pech-Vorläufer-Stapelfasern wurde in einer hohlen zylindrischen Spindel verpreßi.; die Abmessungen der Schichtung waren 104,7 mm Außendurchmesser, 25,4 mm Innendurchmesser, 57,1 mm Höhe. Die Dichte vor der Infiltration war 03 g/cnV bei einem Faservolumen von 188 Volumprozent Nach der Bindung wurde der Verbund aus der Vorrichtung genommen und auf eine Enddichte von 1,76 g/cm* weiter verdichtet.

Die Änderungen der Dichte bei der Infiltration

waren:

Nach der Bindestufe
Nach der ersten Anlagerungsstufe
Nach der zweiten Anlagerungsstufe
Nach der dritten Anlagerungsstufe

Die mechanischen Eigenschaften waren:

0,479 g/cm³

1,657 g/cm^J

1,73 g/cm³

1,76 g/cm³

Biegefestigkeit (kg/cm²)
E F

Druckfestigkeit (kg/cm-¹) E F

1320

880 810 1400

E = kantenweise Auflage, F = flächenweise Auflage.

Hierzu 1 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von mehrschichtigen Kohlenstoffkörpern, bestehend aus einer Schichtung übereinander angeordneter Kohlenstoffaserschichten, wie Geweben, Vliesen u. dgl. und Kombinationen derartiger Faserschichten, die den jeweiligen Anforderungen an den herzustellenden Körper hinsichtlich der physikalischen und mechanischen Eigenschaften entsprechend unter Umständen unterschiedlich ausgewählt und/oder angeordnet sind und ein diesen Anforderungen entsprechendes bestimmtes Faservolumenverhältnis besitzen und durch Kohlenstoff oder ähnliches pyrolytisches Material miteinander fest verbunden sind, bei wälchem Verfahren die Kohlenstoffaserschichten übereinandergelegt und verpreßt werden und pyrolytisch Kohlenstoff oder ähnliches pyrolytisches Material angelagert wird, wobei sich ein Verbund einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verpressen genau auf das im Endprodukt erforderliche Faservolumenverhältnis des Kohlenstoffkörpers erfolgt, wobei ein Faservolumenverhältnis von 10% nicht unterschritten und von 69% nicht überschritten wird, und das Anlagern nur bis zu einem Stadium durchgeführt wird, in dem der Verbund eine Handhabung ohne Formveränderung der Schichtung zuläßt, und daß das Anlagern weiteren Kohlenstoffes od. dgl. erst danach erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anlagern weiteren Kohlenstoffes od. dgl. in mehreren Verfahrensstufen mit unterschiedlichen Verfahrensbedingungen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Anlagerungsstufen Bearbeitungen des Verbundes, z. B. eine Entkrustung, durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffaserschichten vor dem Verpressen aufgerauht werden.