DE2520406A1

DE2520406A1 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoff-verbundkoerpern und gegenstaenden, die aus diesen hergestellt werden

Info

Publication number: DE2520406A1
Application number: DE19752520406
Authority: DE
Inventors: Bryan Alan Bull; Philip Hugh Pegram; John Victor Weaver
Original assignee: Dunlop Ltd
Current assignee: Dunlop Ltd
Priority date: 1974-05-08
Filing date: 1975-05-07
Publication date: 1975-11-13
Also published as: FR2270203B1; FR2270203A1

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 7. Mai 1975 Ss/b - D 2085

DUNLOP LIMITED

Dunlop House, Kyder Street, St. James's, London S.W.1.

England

Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Verbundkörpern und Gegenständen, die aus diesen hergestellt werden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Kohlenstoff zusammengesetzten Gegenständen und insbesondere die Herstellung von ringförmigen oder zum Teil ringförmigen Gegenständen, die ein Substrat aus einem aufgewickelten Kohlenstoffaden umfassen, auf das mittels des Kohlenstoffdampf Abscheideverfahrens (wie es im folgenden definiert wird) eine I'üllmasse bzw. Ummantelung aus Kohlenstoff aufgetragen wurde.

In den vergangenen Jahren bestand ein wachsender Bedarf an Eingen oder Dichtungen, die hohen Umgebungstemperaturen widerstehen. Es hat sich gezeigt, daß Kohlenstoff ein geeignetes

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DR. C. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD DIP L.-ING. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270 TEL. (089) 22 42 11. TELEX S-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/25. TEL. (0711)50 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-8O5

Material ist, weil er eine große spezifische Wärme und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, bei hohen Temperaturen träge in bezug auf chemische Reaktionen ist und seine mechanische Festigkeit bei höheren Temperaturen beibehält, als die meisten metallischen Materialien. Ringförmige Körper zum Gebrauch als Ringe oder Dichtungen wurden deshalb durch e· Bearbeitung von Barren aus kohlenähnlichem Material, wie z.B. massivem Graphit, hergestellt. Die mechanische festigkeit eines Ringes, der durch spanabhebende Bearbeitung aus einem massivem Kohlenstoffmaterial hergestellt wurde, ist jedoch nicht völlig zufriedenstellend, und es ist daher ein Hauptziel der Erfindung, ringförmige oder zum Teil ringförmige Körper aus Kohlenstoff herzustellen, die verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen.

Die Erfindung sieht vor, die Gegenstände aus einem aus Kohlenstoff zusammengesetzten Material herzustellen, bei dem eine Kohlenstoffüllmasse bzw. -ummantelung durch ein Substrat verstärkt wird, das aus einer Kohlenstoff wicklung in Form eines fortlaufenden Fadens besteht. Durch die Ausrichtung der fadenförmigen Versteifung bzw. Armierung parallel zum Umfang des ringförmigen Körpers wird dessen mechanische Festigkeit und Elastizität wesentlich verbessert und die relativ schwache Kohlenstof füllmasse wird verstärkt. Ein "Vorteil eines vollständig aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials besteht darin, daß keine Probleme hinsichtlich einer chemischen Wechselwirkung zwischen der Füllmasse und der Armierung auftreten, wie es z.B. bei einem zusammengesetzten Material der Fall sein könnte, bei dem eine metallische Füllmasse durch Kohlenstoffäden verstärkt wird. Es ist möglich, Materialien mit hoher Festigkeit und sehr niederem Gewicht herzustellen, die eine große spezifische Wärme und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Schocks besitzen und die ihre mechanischen Eigenschaften in einem sehr weiten Temperaturbereich beibehalten.

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Es gibt zwei fundamentale Stufen bei der Herstellung eines vollständig aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials:

(1) Die Erzeugung des fadenförmigen Substrates in einer passenden Form.

(2) Das Aufbringen der Ummantelung.

Bisher bestanden Kohlenstoffasern, die dazu dienten, das Substrat aufzubauen, aus dem verfilzten Material von gewobenen oder gewirkten Geweben, aus auf kurze Stapellänge abgeschnittenen Fasern oder aus Werg von fortlaufenden Fäden. Letzteres kann in der Form von Blättern vorliegen,die zum Teil mit einem organischen Harz imprägniert sind, um die Fasern flach und parallel ausgerichtet festzuhalten.

iNach der Bearbeitung oder Einrichtung des fasrigen Kohlenstoffes auf die gewünschte Substratform wurde Kohlenstoffüllmaterial nach einem der beiden folgenden Verfahren in und um die Substratfasern herum verdichtet:

(a) Nacbjdem "Mehrfach-Imprägnationsverfahren" wurde das Substrat wiederholte Male mit einer organischen Flüssigkeit getränkt, die danach carbonisiert wurde, um alle Elemente außer dem Kohlenstoff zu entfernen. Im allgemeinen hat dieses Verfahren die Tendenz, eine geringe Dichte und relativ schwache Verbindungen zu erzeugen, da während der Carbonisierung ein Brechen des Füllstoffes eintreten kann. Darüber hinaus liefern viele organische Verbindungen einen Kohlenstoff, der sogar bei niederen Temperaturen dazu neigt, von Oxydationsvorgängen mit hoher Geschwindigkeit angegriffen zu werden, was teilweise auf die geringe Dichte und innere Fehlstellen zurückzuführen ist.

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(b) Das zweite Verfahren, das entsprechend der Erfindung angewendet und im Folgenden als das "Kohlenstoffdampf-Abscheideverfahren" bezeichnet wird, ermöglicht es einem kohlenstoffhaltigen Gas mit dem erhitzten Substrat unter Temperatur- und Druckbedingungen in Berührung zu kommen, die eine Ausscheidung des Kohlenstoffs aus der Gasphase fördern. Dieses Verfahren hat theoretisch ein unbegrenztes Eindringvermögen, da sich der Kohlenstoff an allen Oberflächen abscheiden kann, auf die das Gas trifft. Darüber hinaus weist der Kohlenstoff aus der Gasphase eine ziemlich hohe Dichte auf (in der Größenordnung von 2 g/cnr ) und es ist auf diese Weise möglich, Verbindungen hoher Festigkeit und hoher Dichte herzustellen, die ihrer Natur gemäß eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation aufweisen.

Es ist ein wesentliches Ziel der Erfindung, ringförmige, vollständig aus Kohlenstoff bestehende Körper z.B. für Kolbenringe oder Dichtungen herzustellen, die haltbarer und elastischer sind als die, welche bisher verfügbar waren.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, solche Körper einfach und wirtschaftlich herzustellen.

Entsprechend der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen, aus Kohlenstoff zusammengesetzten Körpers angegeben, das darin besteht, Kohlenstoff in Ji'orm eines fortlaufenden -b'adens auf einen Dorn bzw. eine Spindel zur Ausformung eines ringförmigen Substrates aufzuwickeln und dann das Substrat dem Kohlenstoffdampf-Abscheideverfahren zu unterwerfen, um eine Kohlenstoffummantelung bzw. -matrix auf dem Substrat abzulagern.

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Das Verfahren kann die Verwendung einer metallischen Spindel einschließen, die z.B. aus Stahl besteht und eine polierte Oberfläche haben kann. Es kann aber auch eine kohlenstoffhaltige Spindel, z.B. aus Graphit, benutzt werden, oder die Spindel kann aus carbonxsierbarem Material, wie z.B. Textilien, Papier oder Pappe bestehen. Ebenso kann eine aus Pappe bestehende Bohre, die mit einer Schicht aus Kohlenstoffgewebe bedeckt ist, als Spindel benutzt werden.

Nach dem Verfahren der beiden vorausgehenden Absätze kann ein in Axialrichtung langgestreckter, ringförmiger Körper hergestellt werden, und es können Gegenstände mit einer gewünschten, endgültigen Form aus diesem Körper geschnitten oder durch Bearbeitung gewonnen werden. Der Körper kann in Ebenen, die quer zu seiner Achse verlaufen, zerschnitten werden, um eine Vielzahl.von ringförmigen Gegenständen zu liefern. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Körper oder einer oder mehrere der Gegenstände in einer oder mehreren Ebenen geschnitten werden, die durch seine Achse oder allgemein parallel zu ihr verlaufen, um einen teilweise ringförmigen Gegenstand herzustellen, wie z.B. einen mit einem Spalt versehenen Ring, oder einen Ring mit einem Ansatzstück bzw. einer Nase, einer Schulter oder einer treppenformigen Formation auf einer oder "beiden seiner Stirnflächen.

Eine ringförmige Dichtung für hohe Temperaturen, die vollständig oder hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigem Material besteht, kann nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt werden, wobei die Dichtung äußere und innere Umfangs-Reibflachen besitzt, die bezüglich der Achse der Dichtung gegeneinander versetzt sind.

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Die Reibflächen können die Form von sich über den Umfang erstreckenden Vorsprüngen annehmen, die sich auf der äußeren bzw. inneren Oberfläche der Dichtung befinden und gegeneinander bezüglich der Achse der Dichtung versetzt sind, oder die Dichtung kann eine stumpfkegelige !Form besitzen, wobei ihre äußeren und inneren Umfangsflächen gegeneinander bezüglich ihrer Achse versetzt sind.

Die Dichtung wird vorzugsweise in bezug auf den Hohlraum bzw. Zwischenraum etwas überdimensioniert, den sie zwischen zwei gegeneinander beweglichen Teilen einnehmen soll, wobei nach der Montage die Anschmiegung der Reibflächen an diese Teile eine kleine vorspannende Biegung der Dichtung längs ihrer Achse erzeugt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Anordnung mit einem länglichen Steuerelement vorgesehen, das in einem Träger in axialer Richtung hin- und herbewegbar montiert ist, wobei eine Dichtung, wie sie in den drei vorausgehenden Absätzen definiert wurde, das Steuerelement im Inneren des Trägers umgibt, wobei die äußere Reibfläche der Dichtung in reibendem Kontakt mit dem Gehäuse und die innere Reibfläche der Dichtung in reibendem Kontakt mit dem Steuerelement steht.

Kohlenstoffaserwerg aus fortlaufenden Jj'äden kann benutzt werden, um das Substrat zu bilden. Zur einfacheren Handhabung besteht das Werg vorzugsweise aus oberflächenbehandelten Fasern. Das Werg wird der Spindel über oder durch ein System von Rollen und Führungen zugeführt, welches so eingestellt ist,

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daß es die einzelnen Fäden ausrichtet, das Werg abflacht bzw. flachdrückt und gerade richtet und in gewissem Maße ein Ausspannen des Wergs in Übereinstimmung mit der erwünschten Vorspannung des W^prgs bewirkt. Das Werg wird auf die Spindel unter einem vorgegebenen Wicklungswinkel aufgewickelt. Bei der Herstellung von Kolbenringen ist der Steigungswinkel der Windungen vorzugsweise klein oder nicht vorhanden, während bei der Herstellung eines Zylinders, bei dem eine gewisse axiale .Festigkeit erforderlich ist, das Werg der Spindel vorzugsweise unter einem Steigungwinkel so zugeführt wird, daß eine schraubenförmige Wicklung entsteht. Die Fäden berühren die Oberfläche der Spindel vorzugsweise unter der Einwirkung einer kleinen Rolle, die einen vorgegebenen ITluß von 12 1/2 % Gewicht/Volumen von Harz in Azeton trägt, der durch die Rolle auf die Fäden aufgetragen wird.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, um gegebenenfalls den aufgewickelten Ring von der Spindel zu entfernen. Bei metallischen Spindeln wird vorzugsweise die Oberfläche bei der Herstellung poliert. Dann kann die Spindel vor jedem Aufwickelvorgang mit einem PTi¹E-Trennmittel (oder einer ähnlichen Verbindung) eingesprüht werden.

Es ist ebenso möglich, die Spindel mit einer eng sitzenden Schicht aus hochwertigem, braunem Glanzpapier zu bedecken, die ihrerseits leicht als ein Zylinder entfernt werden kann. In diesem Fall kann die Papierröhre, die den aufgewickelten Zylinder trägt, nach dem Wickeln von der Spindel entfernt werden. Bei der nachfolgenden Carbonisierung verkohlt diese Röhre und ist leicht von der Wicklung zu entfernen.

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Es ist auch möglich, eine Ummantelung aus Kohlenstoffoder Graphitgewebe in ähnlicher Weise zu verwenden, außer daß das Entfernen in diesem Fall nach dem Kohlenstoffdampf-Abscheideprozeß durch Bearbeitung vorgenommen wird.

Weitere Möglichkeiten bestehen darin, daß man Röhren aus qualitativ hochwertiger Pappe, die dann bei der Carbonisierung wiederum verkohlen, oder Kohlenstoffspindeln geeigneter Größe verwendet, auf die die Fasern aufgewickelt werden. Letzterer Fall ist ideal für einen Herstellungsablauf geeignet, der eine Temperaturgefälle-Einfiltrierung des Substrates umfaßt (wie sie in der Britischen Patentanmeldung Nr. 05»791/74- beschrieben wird), weil die Spindel als eine Aufnahme in dem Kohlenstoffdampf-Abscheideverfahren dienen kann. Diese Methode ist insbesondere bei der Herstellung von dickwandigen Eingen und Röhren nützlich.

Es ist möglich einen Ring zu wickeln, dessen Abmessungen der gewünschten Größe sehr nahe kommen. Wegen der Schwierigkeiten, die sich bei der Ablagerung von überschüssigem Abscheidungsmaterial auf äußeren und inneren Oberflächen während des Eindringens ergeben, wird es manchmal nötig, auf zu kleine Spindeln Substrate mit etwas zu großen Abmessungen aufzuwickeln, und so zusätzliches Material zuzulassen, das dann bei verschiedenen Stufen des Eindringens durch Bearbeitung abgetragen werden kann.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung dient,

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Figur 2 die Verwendung eines ringförmigen Körpers, der nach dem Verfahren der Erfindung als Teil einer Dichtung für eine hydraulische Kolbenstange hergestellt wurde,

Figur 3 und 4, bzw. 5 und 6 zwei weitere ringförmige Körper, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurden, wobei die Figur 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Figur 3 zeigt und die Figur 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI der Figur 5>

Figur 7 und 8 eine Ausführungsform einer Mehrfachdichtung, die aus mehreren ringförmigen Körpern entsprechend der Erfindung zusammengesetzt ist, wobei Figur 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Figur 7 zeigt,

Figur 9 und 10 eine weitere zusammengesetzte Dichtung, wobei Figur 10 einen Schnitt längs der Linie X-X der Figur 9 zeigt,

Figur 11 einen Querschnitt eines pneumatischen Antriebes, der die geeigneten Stellen für die Mehrfachdichtungen der Figuren 7 bis 10 darstellt,

Figur 12 einen: Längsschnitt durch eine hydraulische Kolbensteuerstange und das Gehäuse, in dem sie unter Einfügung einer ringförmigen Dichtung, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde, in axialer Richtung hin- und herbeweglich montiert ist,

Figur 13 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 12,

Figur 14 und 15 eine weitere Dichtung, die für eine Kolbensteuerstange und das Gehäuse verwendet wird und

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Figur 16 und 17 weitere Möglichkeiten, wie mehr als eine Dichtung in demselben Zusammenbau von Steuerstange und Gehäuse montiert werden kann.

Aus fortlaufenden Fäden bestehendes Kohlenstoffaser-Werg wird von einer Trommel 3 zu einer Spindel 4 über eine sich frei drehende Rolle 5 geführt, die etwa 60 cm (20 feet) über der Trommel angebracht ist, und dann weiter um eine Folge von frei drehbaren, eine Vorspannung erzeugenden und ausrichtenden Rollen 6. Das Werg durchläuft dann zwei kleine, frei drehbare Führungsrollen 7 und über eine einzelne, große, frei drehbare Führungsrolle 8. Danach läuft das Werg wechselweise über und unter einer Reihe von frei drehbaren Glasrollen 9 durch, die ein letztes Dehnen und Vorspannen des Wergs bewirken, bevor es zu der Spindel 4 gelangt. Die Spindel wird so angetrieben, daß sie sich in der durch den Pfeil angezeigten Richtung dreht, und so das Werg aufwickelt, das von der letzten der Rollen 9 zu ihr gelangt. Eine kleine Harzauftragerolle 10 berührt die Spindel an oder nahe bei dem Punkt ihres Umfanges, zu dem das Werg tangential verläuft. Die Rolle 10 ist an dem einen Ende des Hebels 11 angebracht, der an seinem anderen Ende 12 ein Gegengewicht trägt und im Punkt 13 drehbar gelagert ist, so daß der Druck der Rolle auf die Wergwicklung auf der Spindel 4 auf einen niederen Wert eingestellt werden kann. Ein Strom 14 aus flüssigem Harz wird der Auftragerolle 10 zugeführt und wird von ihr auf die Wergwindungen aufgebracht.

Es werden nun einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, bei denen eine Vorrichtung, wie sie in dem vorausgehenden Absatz dargestellt wurde, Verwendung fand.

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BEISPIEL I

Eine zylindrische Spindel aus rostfreiem Stahl wurde mit einer polierten Oberfläche versehen. Dann wurde sie unter Verwendung eines normalen PTFE-Formtrennmittels eingesprüht. Der Überflächenfilm ist außerordentlich dünn. Ein fortlaufendes 10.000-Fadenwerg aus PAN-Vorlauf-Kohlenstoffasern, das in einer lose gepackten Trommel enthalten war, wurde über die frei rotierende Nylonrolle 5 gezogen, die etwa 60 cm (20 feet) über der Trommel 3 angebracht war.

Das Ende des Wergs 2 wurde vorübergehend an einem bestimmten Punkt der Spindel 4 mit Hilfe eines Klebebandes befestigt. Die Spannrollen 6, 7i 8 und9 wurden so eingestellt, daß sich eine Wergspannung von 170 g (6 Unzen) auf der Spindel 4 ergab. Die Breite des flachgedrückten Wergs 2 war ungefähr 6,35 mm (1/4 inch). Der Annäherungswinkel des Wergs an die Spindel bzw. sein Schräglauf wurde in diesem Fall auf 6 Umdrehungen pro 2,5 cm (pro inch) eingestellt, so daß sich eine gewisse Überlappung der aufeinander folgenden Windungen ergab. Harz mit einem 12 %igen Gewicht/Volumen-Verhältnis wurde den Fäden mit Hilfe der ausbalancierten Rolle 10 in dem Moment zugeführt, als sie die Oberfläche der Spindel berührten. Die Zuflußrate des Harzes betrug ungefähr 30 cm* pro Minute. Nach Beendigung des Aufwickelvorganges ließ man das Faserwerg 30 Minuten an der Luft trocknen, bevor das Ende des Wergs mit einem Band auf der Spindel 4 befestigt wurde. Dann wurde die gesamte Spindel zusammen mit den aufgewickelten Fäden unter Luftzutritt in einem Ofen eine Stunde lang auf 165° G aufgeheizt, um das Harz auszuhärten. Nach dem Abschneiden der Enden der aufgewickelten Fäden und dem Entfernen der festhaltenden Klebebänder wurde das aufgewickelte Fadensubstrat unversehrt von der Spindel heruntergezogen. Das Substrat wurde in einer inerten Atmosphäre durch ein etwa einstündiges Erhitzen auf 1000° C carbonisiert.

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Trotz der hohen verwendeten Aufheizraten war die Änderung

cn
der Abmessung' nach der Carbonisierung vernachlässigbar klein.

Nachdem das aufgewickelte Fadensubstrat zur Bestimmung der Dichte gewogen und vermessen war, wurde es einem Methangas Argon-Gemisch unter vermindertem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt. Diese Bedingungen bewirkten eine Ablagerung von Kohlenstoff in dem Substrat. Es wurde schließlich eine Dichte von 1,58 g pro cnr erreicht. Ringe, die danach von dem Zylinder abgeschnitten wurden, wurden einem mechanischen Test vom Typ

it C

"C" unterworfen, wobei sich ein Biegemodul von (9,0 χ 10 psi) und eine Bruchfestigkeit von (30.500 psi) ergab, was einer Bruchgrenze von 0,4- % entspricht. < 6300 χ 10 kp/m

** 21,5 x 10⁶kp/m²

BEISPIEL II

Alle Einzelheiten dieses Beispieles waren dieselben wie im Beispiel I, außer daß eine etwas zu kleine Spindel verwendet wurde, auf der eine Ummantelung aus Kohlenstoffgewebe angebracht war. Nach dem Aushärten wurde die Wicklung auf dem Gewebezylinder unversehrt entfernt und das Ganze unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel I carbonisiert. In diesem Pail wurde der Gewebezylinder vor dem Kohlenstoffdampf-Abscheideverfahren vorsichtig entfernt.

BEISPIEL III

Alle Einzelheiten dieses Beispiels waren die gleichen wie im Beispiel I, außer daß als Spindel eine aus qualitativ hochwertiger Pappe gewickelte Röhre verwendet wurde, die mit einem Kohlenstoffgewebe ummantelt war. Das Ganze wurde ausgehärtet und carbonisiert, mit dem Ergebnis, daß die Spindel beim Verkohlen schrumpfte und daher leicht entfernt werden konnte. Es wurde die Kohlenstoffdampf-Abscheidung durchgeführt, wobei der innere Gewebezylinder unversehrt blieb.

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-Ringförmige Körper, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden, sind in vielen Anwendungsfällen nützlich, bei denen extreme Temperaturen zu erwarten sind und bei denen eine Schmierung schwierig oder unmöglich ist. Die röhrenförmigen Körper, die entsprechend der Erfindung hergestellt werden, stellen eine Verbesserung sowohl hinsichtlich der Kosten als auch ihrer Leistungsfähigkeit im Vergleich mit den ringförmigen Körpern dar, die allgemein in Gebrauch sind und die durch Bearbeitung aus Barren von kohlenstoffhaltigem Material wie z.B. Kohle gewonnen werden, und im Hinblick auf ihre überlegenen Eigenschaften können die Körper, die entsprechend der Erfindung hergestellt wurden, mit Abmessungen versehen werden und Toleranzen einhalten, wie sie für herkömmliche Dichtungen oder Ringe nicht erreichbar sind.

Es folgt nun eine Beschreibung von beispielhaften Anwendungsfällen, für die sich die Körper, die entsprechend der Erfindung hergestellt wurden, eignen.

Figur 2 zeigt die Steuerstange 10 eines hydraulischen Kolbens (nicht dargestellt), der in seinem Zylinder dadurch hin- und hergeschoben werden kann, daß die Stange 10 in das Gehäuse 11 axial hinein- oder aus ihm herausbewegt wird. Das Gehäuse 11 ist mit einer inneren Schulter 13 versehen und das benachbarte Ende des Gehäuses ist mit einem Schlußring 12 abgeschlossen, der die Stange 10 umgibt.

In dem ringförmigen Hohlraum zwischen der Schulter 13 und dem Abschlußring 12 ist eine zusammengesetzte Dichtung angebracht, die aus einem ringförmigen Körper 14 mit einem in axialer Richtung länglichen, rechtwinkligen Querschnitt besteht, der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde und als Gleitpassung auf dem Stab 10 ausgeformt ist. Auf seiner in radialer Richtung gesehenen äußeren Seite umgibt den Körper

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ein abgeflachtes Toroid 15, das aus einem elastischen Material, wie z.B. Gummi oder einem gummiähnlicheη Plastikmaterial besteht. Die elastische Dichtung 15 wird zwischen der Kohlenstoffdichtung 14 und dem Gehäuse 15 zusammengedrückt. Die Vorteile der Einlagerung der Kohlenstoffdichtung 14 gegenüber einer einheitlichen Dichtung, die vollständig aus elastischem Material besteht, liegen in der Selbstschmierung und einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Temperaturen, wie sie insbesondere durch Wärmeleitung längs des Stabes übertragen werden.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine mit einem Spalt versehene, in axialer Richtung längliche Kohlenstoffmuffe, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde und die insbesondere für jede Umgebung geeignet ist, in der Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Temperaturen und die Fähigkeit zur Selbstschmierung wünschenswert and. Aufgrund ihres Spaltes kann sich die Muffe in begrenztem Maße ausdehnen und zusammenziehen, um die Montage zu erleichtern und um sich an die Ausdehnung und Kontraktion von Metallteilen anzupassen, mit denen sie in Verbindung steht.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Mutter, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde. Die Steuerorgane eines Flugzeugdüsenmotors erfordern gewisse lineare Betätigung svorgänge, um Funktionen wie z.B. die der Schubumkehr, der Nachbrenndüse, des Schalldämpferventils und der Ansaugklappen durchzuführen. Die Temperaturen, denen solche Steuerorgane ausgesetzt sind, bewegen sich zwischen 350° C und 700° C. Die dargestellte Mutter 16 ist innen mit einem Gewinde versehen und hat wenigstens einen radialen Schlitz 18, der sich zu ihrem äußeren Rand hin öffnet. Im Betrieb wird die Mutter 16 durch eine Führungsleiste am Drehen gehindert, die in den Schlitz 18 eingreift und es der Mutter erlaubt, sich

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in axialer Richtung längs der Führungsleiste zu bewegen.

Ein auf seiner Außenseite mit einem schraubenähnlichen Gewinde versehenes Element greift in das Innengewinde 17 ein und auf diese Weise wird die Drehung des auf der Außenseite mit einem Gewinde versehenen Elementes (nicht dargestellt) in eine lineare Bewegung der Mutter 16 längs der führungsleiste (nicht dargestellt) umgesetzt, die in den Schlitz 18 eingreift.

Die i'iguren 7 und 8 zeigen eine Dreifachdichtung, die aus drei ringförmigen Körpern 19ι 20 und 21 besteht, von denen jeder nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde. Nach der Herstellung wird jeder Ring so bearbeitet,

daß er einen scharfkantigen rechtwinkligen Querschnitt erhält, und es wird jeder Ring mit einem einzelnen Schlitz an den Punkten 22, 23 bzw. 24 versehen. Die beiden Ringe 20 und 21 haben die gleichen Abmessungen und der Ring 19 hat die doppelte axiale Länge von jedem der Ringe 20 und 21 und sein innerer Durchmesser ist ungefähr gleich dem äußeren Durchmesser von jedem der Ringe 20 und 21. Beim Betrieb sind die beiden Ringe 20 und 21 in coaxialer Ausrichtung in dem Ring 19 angebracht, wobei die Schlitze 22 bis 24 der jeweiligen Ringe einen Winkelabstand zueinander aufweisen. Gegebenenfalls können die Winkelabstände zwischen den Schlitzen der Ringe dadurch aufrecht erhalten und jeder Ring daran gehindert werden, sich gegenüber den anderen zu drehen, bis zwei oder mehr der Schlitze 22 bis 24 in radialer Richtung des Zusammenbaus gesehen zur Deckung kommen, daß in bekannter Weise ineinander eingreifende Nasen und Vertiefungen (nicht dargestellt) auf den Ringen vorgesehen werden. Alternativ hierzu kann ein carbonisierbarer Klebstoff verwendet werden, um jeden Ring an einem Punkt auf seiner Außenseite mit einem oder beiden der anderen Ringe zu verbinden, so daß jeweils zwei oder mehr der Ringe aneinandergekittet werden, nachdem der Zusammenbau erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurde.

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Die in den Figuren 9 und 10 dargestellte Dreifachdichtung entspricht in jeder Hinsicht der der Figuren 7 und 8, außer daß der in axialer Richtung längliche Ring 19 auf der Innenseite der coaxialen Ringe 20 und 21 angebracht ist, anstatt auf ihrer Außenseite.

Figur 11 stellt ein pneumatisches Betätigungsorgan dar, bei dem Dreifachdichtungen sowohl in Übereinstimmung mit den Figuren 7 und 8 als auch mit den Figuren9 und 10 Verwendung finden. Das Betätigungsorgan umfaßt ein röhrenförmiges Gehäuse 25, das Endabschlüsse 26 und 27 besitzt. Ein Schaft bzw. Schaftstab 28 erstreckt sich coaxial durch das Gehäuse 25 und wird von Achslagern 29 und 30, die sich in den Endabschlüssen befinden, gleitend getragen. Im Inneren des Gehäuses besitzt der Schaftstab 28 integrale Kolbenteile 31 und 32, um das Innere des Gehäuses in die Endkammern 33 und 34- und eine Mittelkammer 35 aufzuteilen, öffnungen zum Ein- oder Austritt von Luft in oder aus den jeweiligen Kammern sind an den Punkten 36, 37 und 38 angezeigt. An ihren Enden, die sich zum Inneren des Gehäuses 25 hin öffnen, besitzen die Bohrungen in jedem der Endabschlüsse 26 und 27 einen vergrößerten Durchmesser, um eine Schulter 39 und 40 zu erzeugen. Eine Dreifachdichtung 50, die den Figuren 7 und 8 entspricht, liegt in jedem der Bohrungsteile mit vergrößertem Durchmesser an der Schulter 39 und der Schulter 40 an und wird in ihrer Lage durch einen Abschlußring 41 und 42 festgehalten, der an den jeweiligen Endabschlüssen 26 und 27 angeschraubt ist.

Die äußere Fläche eines jeden Kolbenteiles 31 und 32 ist mit zwei parallelen auf dem umfang verlaufenden Vertiefungen bzw. Rillen 43 und 44 versehen, wobei sich in jeder von ihnen eine Dreifachdichtung entsprechend den Figuren 9 und 10 befindet. Der einfacheren Darstellung halber zeigt die Figur 11 nur eine Dreifachdichtung 51» die in jedem der Kolbenteile 31 und 32 montiert ist.

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Das Betätigungsorgan ist als solches bekannt und findet in Steuerungsvorrichtungen von Düsenmotoren in Situationen Verwendung, bei denen große Hitze oder große Kälte auftreten kann.

Weitere Anwendungsbeispiele für die Dichtungen der Figuren 7 bis 10 sind Einheiten wie z.B. Druckkolben, Umschaltventile, Druckreduzierventile und spulenbetriebene Ventile.

Figur 12 zeigt die Steuerstange 100 eines hydraulischen Kolbens (nicht dargestellt), der in seinem Zylinder dadurch hin- und herbewegt werden kann, daß die Stange 100 in axialer Richtung in ihr Gehäuse 101 hinein- oder aus ihm herausbewegt wird. Das Gehäuse ist in der Nähe seines freien Endes mit einer inneren Schulter 102 versehen, die als Führungslager für die Stange 100 dient, und das freie Ende des Gehäuses ist mit einem Abschlußring 103 verschlossen, der die Stange umgibt.

In dem ringförmigen Hohlraum zwischen der Schulter 102 und dem Abschlußring 103 befindet sich eine ringförmige Dichtung 104 aus kohlenstoffhaltigem Material. Die Dichtung 104-hat die Form einer in axialer Richtung länglichen, zylindrischen Röhre, von deren gegenüberliegenden Enden sich parallel zum Umfang verlaufende Erhebungen 105 und 106 radial nach außen bzw. radial nach innen erstrecken, die von den Umfangsflachen der Dichtung ausgehen. Die Erhebungen 105 und 106 bilden auf diese Weise Reiboberflächen, die sich reibend an das Gehäuse 101 bzw.die Stange 100 anschmiegen und so zwischen diesen eine Dichtung bilden, die ein Ausströmen von Fluid aus dem Inneren des Gehäuses 101 an seinem durch den Abschlußring 103 verschlossenen Ende verhindert.

Die Dichtung 104 ist in bezug auf den Innendurchmesser des Gehäuses 101 ein klein wenig zu groß und in bezug auf den Durchmesser der Stange 100 etwas zu klein dimensioniert,

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so daß nach der Montage die durch die Erhebungen bzw. Vorsprünge 105 und 106 definierten Reibflächen eine feste reibende Verbindung mit dem Gehäuse bzw. der Stange herstellen und die Dichtung 104 längs ihrer Achse leicht abgebogen wird, um sich so an die Differenz der Durchmesser anzupassen.

Die Figuren 14 bis 16 stellen schematisch die Anordnung einer weiteren Dichtung, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurde, in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen einer Kolbenstange 100 und einem Gehäuse 101 dar. Diese weitere, in den Figuren 14 bis 16 dargestellte Dichtung ist von stumpfkegeliger Form, so daß ihre radial äußeren und radial inneren Umfangsflachen 108 und 109 bezüglich der Achse der Dichtung gegeneinander versetzt sind. Diese Umfangsflachen stellen die Reibflächen der Dichtung dar, die sich reibend an das Gehäuse 101 bzw. an den Stab 100 anschmiegen. Um sicherzustellen, daß sich die Reibflächen gut dichtend an die Stange und an das Gehäuse anschmiegen, ist der Durchmesser der Oberfläche 108 ein klein wenig größer als der innere Durchmesser des Gehäuses 101 im Berich des ringförmigen Hohlraums, in dem sich die Dichtung befindet, und der Durchmesser der Oberfläche 109 der Dichtung ist ein klein wenig kleiner, als der äußere Durchmesser der Stange 100. In der dargestellten Montagestellung ist daher die Dichtung 107 längs ihrer Achse gebogen, um sich an die unterschiedlichen Durchmesser anzupassen.

Wie in den Figuren 14 und 15 veranschaulicht, kann die Dichtung 107 so angeordnet werden, daß sie in jeder axialen Richtung der Stange 100 abgeschrägt ist und entweder ihr radial inneres oder ihr radial äußeres Ende eine Schulter des Gehäuses 101 berührt, um die Bewegung der Dichtung 107 dem hin- und hergehenden Stab 100 zu begrenzen.

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Wie in Eigur 16 dargestellt, können zwei gleich ausgerichtete Dichtungen 107 Seite an Seite in demselben ringförmigen Hohlraum zwischen dem Gehäuse 101 und der Stange angeordnet werden. Wie in Figur 17 dargestellt, können zwei ähnliche Dichtungen 107, die in demselben ringförmigen Hohlraum zwischen dem Gehäuse 101 und der Stange 100 angeordnet sind, axial entgegengesetzt ausgerichtet werden, so daß sie sich gegenseitig berühren, dabei aber nur mit jeweils einer ihrer Umfangsflachen nebeneinanderliegen.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

'1.' Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Kohlenstoff-Verbundkörpers, bei dem Kohlenstoff in Form von fortlaufenden Fäden auf eine Spindel zur Herstellung eines ringförmigen Substrates aufgewickelt und nachfolgend dieses Substrat einem Kohlenstoff-Verdichtungsprozeß unterworfen wird, dadurch gekennzei chnet, daß der Kohlenstoff auf dem Substrat dadurch verdichtet wird, daß das Substrat erhitzt wird und es einem kohlenstoffhaltigen Gas ermöglicht wird, mit dem erhitzten Substrat unter Temperatur- und Druckbedingungen in Berührung zu kommen, die eine Kohlenstoffabscheidung aus der Gasphase fördern, um Kohlenstoffüllmasse bzw. eine Kohlenstoffummantelung auf dem Substrat abzulagern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine metallische Spindel (4) benützt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stahlspindel (4) benützt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die benützte Spindel (4) eine polierte Oberfläche besitzt.
5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei c h n e t, daß die verwendete Spindel (4) aus kohlenstoffhaltigem Material besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Spindel (4) aus carbon!sierbarem Material besteht.

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7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Spindel (4) eine Pappröhre ist, die mit einer Schicht aus Kohlestoffgewebe bedeckt ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gegenstände (14) (19) (20) (21) (104) (10?) mit einer erwünschten endgültigen Form danach von dem Körper abgeschnitten oder aus ihm durch Bearbeitung gewonnen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzei c h n e t, daß ein ..in axialer Richtung länglicher Körper hergestellt und danach in Ebenen geschnitten wird, die quer zu seiner Achse verlaufen, um eine VieLzahl von ringförmigen Gegenständen (14) (16) (19) (20) (21) (104) (10?) herzustellen.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Körper oder ein Gegenstand, der aus ihm herausgeschnitten oder durch Bearbeitung aus ihm gewonnen wurde, in einer oder mehreren Ebenen geschnitten wird, die die Achse des Körpers oder Gegenstandes enthalten oder allgemein parallel zu ihr verlaufen, um auf einem ausgeformten Artikel (14) (16) (19) (20) (21) (104)(107) eine Nase oder Schulter oder treppenförmige Formation (105) (106) auszubilden und/oder den .Ring mit einem Spalt (18) (22) (23) (24) zu unterbrechen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus fortlaufenden Fäden bestehendes Kohlenstoffaser-Werg (2) benutzt wird, um das Substrat zu bilden.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß das Werg (-2) aus oberflächenbehandelten Fasern besteht.
13· Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Werg (2) der Spindel (4) über ein System von Hollen und Führungen (5) (6) (7) (8) (9) zugeführt wird, das so eingestellt ist, daß die einzelnen Fäden ausgerichtet werden, das Werg (2) abgeflacht bzw. flachgedrückt und gerade gerichtet wird, und das in gewissem Maße ein Dehnen des Werges (2) bewirkt, in Übereinstimmung/ der erwünschten Vorspannung des Wergs (2).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis I3 zur Herstellung von Kolbenringen, dadurch gekennzeichnet, daß das Werg (2) auf die Spindel (4) mit einem kleinen oder verschwindenden Steigungswinkel aufgewickelt wird.
15· Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Herstellung eines Zylinders, dadurch gekennzei chnet, daß das Werg (2) auf die Spindel (4) mit einem Steigungs-

fdrmige winkel so aufgewickelt wird, daß eine schraub en/ Wx ckiung entsteht.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß die Fäden (2) dazu gebracht werden, die Oberfläche der Spindel unter dem Einfluß einer kleinen Rolle (10) zu berühren, die einen vorgegebenen Fluß (14) von 12 1/2 % Gewicht/Volumen von Harz in Azeton trägt, der durch die Holle (10) auf die Fäden (2) aufgetragen wird.

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17· Ringförmige Muffe oder Dichtung (14) (19) (20) (21) (104) (107) für hohe (Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß sie vollständig oder hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigem Material besteht und nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wurde.
18. Mutter, die vollständig oder hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigem Material besteht, wobei die Mutter auf ihrer Innenseite ein Gewinde besitzt und wenigstens einen radialen Schlitz aufweist, der sich zu ihrer äußeren Berandung hin öffnet, um in eine Führungsleiste einzugreifen, dadurch gekennzei chnet, daß die Mutter (16) nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wurde.
19- Dreifachdichtung, dadurch gekennzei chnet, daß jede der drei Komponenten (19) (20) (21) der Dreifachdichtung vollständig oder hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigem Material besteht und nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wurde, wobei Jede der Komponenten (19) (20) (21) ein Eing mit einem einzelnen Schlitz (22) (23) (24) ist und so bearbeitet wurde, daß sie einen scharfkantigen, rechtwinkligen Querschnitt aufweist.
20. Eingförmige Dichtung für hohe Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß sie vollständig oder hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigem Material besteht und nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis hergestellt wurde, wobei die Dichtung (104) (107) äußere und innere Umfangs-Reibflächen (105) (106) (108) (109) besitzt, die wechselseitig bezüglich der Achse der Dichtung gegeneinander versetzt sind.

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21. Dichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen die Form von Umfangs-Vorsprüngen (105) (106) an den äußeren bzw. inneren Umfangsflachen der Dichtung (104) annehmen und bezüglich der Achse der Dichtung (104) gegeneinander versetzt sind.
22. Dichtung nach Anspruch -20, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine stumpfkegelige Form aufweist, wobei die äußeren und inneren Umfangsflachen (108) (109) der Dichtung (107) bezüglich ihrer Achse gegeneinander versetzt sind.

2J. Zusammenbau einer Dichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22 mit einem länglichen Steuerelement, das in axialer Richtung hin- und herbewegbar in einem hierfür bestimmten Träger montiert ist, dadurch gekennzei chnet, daß die Dichtung (104) das Steuerelement (100) im inneren des Trägers (101) umgibt, wobei die äußeren Reibflächen (105) der Dichtung (104) sich reibend an das Gehäuse (101) anschmiegen und die innere Reibfläche (105) der Dichtung (104) sich reibend an das Steuerelement (100) anschmiegt.

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