DE2704378A1 - Verfahren zur herstellung von dreidimensionalen gewebeteilen - Google Patents

Description

Dreidimensionale Gewebeteile bestehen allgemein aus Fäden,
Fasern, Vorgarnen undsoweiter, die in dem Textilgewebe oder der Textilware in drei verschiedenen, im allgemeinen zueinander senkrechten Richtungen orientiert sind. Dank ihrer erhöhten mechanischen Festigkeit, ihres ausgezeichneten Wärmeisolationsvermögens und ihrer guten Stoß- und Abriebfestigkeit finden diese Textilwaren zahlreiche Anwendungen in
Form von Hochleistungsfäden oder -fasern, wie z.B. Kohlen-

709832/0695

stoff-Fasern, Graphitfasern oder Fasern analoger Materialien. So werden diese Gewebe in vorteilhafter Weise zur Herstellung von Wiedereintrittskörpern von Raketen oder anderen ähnlichen Flugkörpern sowie für die Verwirklichung von Wärmeschutzschilden und Bremsbelägen verwendet.

Man kennt bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung dieser Gewebe. Von diesen beziehen sich einige auf das Zusammensetzen von oder auf Maschinen zum Auseinanderspreizen von parallelen Fadenlagen so, daß nach und nach die Fäden eingeführt werden können, die die zweite und die dritte Richtung bilden. Andere Verfahren bestehen darin, zuerst eine Struktur mit zwei Richtungen zu bilden, indem aufeinanderfolgend entweder ebene Gewebelagen mit Kette und Schuß mit Kräuselfaden oder Lagen von parallelen Fäden, alternierend von einer Lage zur anderen in zwei Richtungen orientiert aufeinandergeschichtet werden, dann nach einem Nähverfahren in einer zur Ebene der Lagen senkrechten oder schrägen Richtung den Faden der dritten Richtung einzuführen.

Die bisher angewandten Verfahren jedoch machen es nicht leicht, dreidimensionale Gewebestücke sehr genauer Form und Abmessungen zu erhalten, die außerdem eine große Steifigkeit aufweisen, wie z.B. Stücke oder Teile in Form eines Kegelstumpfes oder einer zylindrischen Einfassung.

So erfordern die Verfahren, bei denen in eine zweidimensionale Struktur der Faden der dritten Richtung nach einer Nähmethode eingeführt wird, eine komplizierte und kostspielige Apparatur, insbesondere was die Ausführung der Drehspindelträger in der der Form des zu erhaltenden Stücks entsprechenden Form betrifft. Tatsächlich müssen diese letzteren eine verhältnismäßig komplizierte Konstruktion sein, um auf ihrer Oberfläche genügend Lücken lassen zu können, die für den Durchgang einer Nadel beim Nähen mit dem Faden der dritten Richtung bestimmt sind.

709832/0695

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gewebeteilen oder -stücken, das es ermöglicht, Stücke oder Teile präziser Formen und Abmessungen, die ebenfalls eine gute Steifigkeit oder Festigkeit aufweisen, nach einem Nähverfahren, ausgehend von einer zweidimensionalen Struktur, zu erhalten.

Zu diesem Zwecke besteht das erfindungsgemäße Verfahren im aufeinanderfolgenden Aufschichten von Lagen zweidimensionaler Gewebe oder von Lagen paralleler Fäden, die sich alternativ von einer Lage zur anderen entsprechend einer ersten und einer zweiten Richtung erstrecken, dann im Nähen des so zusammengesetzten Stapels, parallelen Linien folgend, mit einem Faden, der sich in einer dritten Richtung erstreckt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß man die Lagen auf einem Träger aus pyrolysierbarem Material auflegt oder stapelt, diesen Stapel aus den Lagen und dem Träger mit dem sich in der dritten Richtung erstreckenden Faden näht und daß man die ganze so erhaltene Einheit einer Temperatur zwischen 800 und 1200 C in Gegenwart eines gasförmigen Kohlenwasserstoff Stroms zum Pyrolysieren des den Träger bildenden Materials und zum Abscheiden pyrolytischen Kohlenstoffs auf den das dreidimensionale Gewebe bildenden Fäden unterwirft.

Dank diesem Verfahren ist es nicht mehr nötig, zu Trägern veralteter Konstruktion Zuflucht zu nehmen, da die gesamte, aus dem Stapel der Lagen und des Trägers bestehende Einheit genäht wird. Weiter ermöglicht die nachfolgende thermische Behandlung, der man die erhaltene Einheit unterwirft, es nicht nur, die Entfernung des Trägers durch Pyrolyse zu gewährleisten, sondern auch die so verwirklichte dreidimensionale Struktur durch eine Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff oder Graphit auf der das Gewebe bildenden Fadenoberfläche zu versteifen.

Durch Wahl eines Trägers geeigneter Form kann man so Stücke

709832/0695

oder Teile verhältnismäßig präziser Form oder Abmessungen herstellen.

Bei der Wahl eines passenden pyrolysierbaren Materials muß einerseits die Tatsache berücksichtigt werden, daß der Träger eine bestimmte Festigkeit oder Steifheit aufweisen muß, ohne jedoch beim Durchgang einer Nadel einen zu großen Widerstand zu bieten, und andererseits, daß er sich in einem Zeitraum pyrolysieren lassen muß, der mit den Möglichkeiten der Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff oder Graphit aus einem gasförmigen Kohlenwasserstoff vereinbar ist. In vorteilhafter Weise verwendet man Karton oder Balsa, die bei einer Temperatur unter 1000 °C vollständig pyrolysiert werden. Die Wärmebehandlung erfolgt in Gegenwart eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs wie Methan und Propan.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung erfolgt das Nähen des Stapels der Lagen und des Trägers mit dem sich in der dritten Richtung erstreckenden Faden mit einem Knotenpunkt, gebildet mit Hilfe eines Schiffchen-Hilfsfadens. Man reguliert die Spannung der beiden Fäden so, daß der Knoten zwischen den beiden Fäden in der Dicke des Trägers liegt. Der Schiffchen-Hilfsfaden besteht vorteilhafterweise aus einem pyrolysierbaren Material, z.B. aus Baumwolle oder Rayon.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Träger einen Graphitkern, der von pyrolysierbarem Material umgeben ist, und nachdem das Ganze der zum Pyrolysieren dieses Materials nötigen Temperatur unterworfen worden ist, zieht man den Graphitkern heraus. So gelingt es, dem Träger eine bessere Festigkeit zu verleihen, auf dem die Lagen aufgeschichtet werden, um die Verformungen zu vermeiden, die sich beim Nähen des Stapels der Lagen und des Trägers leicht bilden.

709832/0635

Die Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung leichter verständlich, die nicht beschränkend zu verstehen ist und sich auf die Figuren bezieht; von diesen zeigt

Fig. 1 die erste Stufe des Verfahrens, das Nähen des Stapels der Lagen und des Trägers;

Fig. 2 die zweite Stufe des Verfahrens, die Wärmebehandlung der erhaltenen Einheit und

Fig. 3 die zweite Stufe des Verfahrens gemäß einer Variante der Erfindung bezüglich der Trägerstruktur.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Herstellung von Teilen oder Stücken verschiedener Formen und irgendwelcher Profile Anwendung finden, z.B. von Teilen zylindrischer Form, von Kegelstumpf-Form, Quaderform oder von Teilen in Platten- oder Scheibenform·

Nachfolgend wird beispielhaft eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die sich auf die Herstellung von Teilen in Form einer zylindrischen Einfassung bezieht. In Fig. 1 ist der Träger 1 in Balsa in. zylindrischer Form, entsprechend den Abmessungen des herzustellenden Teils zu sehen. Auf der Außenfläche des Trägers 1 wurden zuvor mehrere übereinander gelegte Lagen 3 aus Kohlenstoffgeweben oder verdrillten oder unverdrillten Kohlenstoff-Fasern so angeordnet, daß eine zweidimensionale Struktur gewünschter Dikke um den zylindrischen Träger 1 herum entsteht. Der mit dem Stapel der Lagen 3 umkleidete zylindrische Träger 1 wird auf eine (nicht dargestellte) Nähmaschine gebracht, die diesem Zweck in geeigneter Weise angepaßt ist. Diese Nähmaschine weist einen mit einer Nadel 5 ausgestatteten Nähkopf auf, in die der Kohlenstoff-Faden 7 einläuft, der in der dritten Rich tung eingebracht werden soll. Vorteilhaft weist der Nähkopf auch eine weitere Nadel 9 auf, die dazu dient, die Schichteinheit vor dem Durchgang der Nadel 5 so zu durchstoßen, daß

709832/0695

- kr-

das Einführen der mit dem Kohlenstoff-Faden 7 versehenen Nadel 5 durch den Stapel der Lagen 3 und des Trägers 1 erleichtert wird. Die Nähmaschine ist mit einen (nicht dargestellten) Schiffchen ausgestattet, das mit einem ziemlich festen Hilfsfaden 11, wie z.B. einem Faden aus Daumwolle oder Rayon, bewickelt ist, und der zylindrische Träger 1 ist auf der Nähmaschine so angebracht, daß die Nadel 5 seine Oberfläche senkrecht zu den Lagen 3 durchstechen kann und daß das Schiffchen auf der anderen Seite dieser Oberfläche liegt, nämlich im Inneren des zylindrischen Trägers 1. So kann die Nähmaschine arbeiten, um mit dem Nähfaden 7 und dem Schiffchenfaden 11 einen Knotenpunkt zu bilden.

Nach Ingangsetzen der Nähmaschine wird eine erste Nahtlinie 13a entlang einer Erzeugenden oder Mantellinie des zylindrischen Trägers 1 hergestellt, und die Spannung oder der Zug des Nähfadens 7 und der des Schiffchenfadens 11 wird vorweg so geregelt, daß der Knoten zwischen den beiden Fäden in der Dicke des zylindrischen Trägers 1 liegt, und zwar der Innenfläche des Trägers so nahewie möglich.

Dann werden weitere fortlaufende Nahtlinien erzeugt, wie 13b, 13c, 13d, usw., gemäß den dem zylindrischen Träger 1 naheliegenden Erzeugenden oder Mantellinien, so daß die Kohlenstoff-Fäden in die Dicke der Struktur mit 2 Richtungen senkrecht zu denen der auf der Oberfläche des zylindrischen Trägers 1 aufgeschichteten Lagen 3 eingezogen werden. So wird der Zusammenhalt der Einheit durch den Nähfaden 7 auf dem äußeren Umfang des zylindrischen Trägers 1 gewährleistet.

In Fig. 2 ist im senkrechten Schnitt des Teils Λ die Struktur der erhaltenen Einheit nach dem Nähvorgang zu sehen, die die Schichtung oder den Stapel der Lagen 3 zeigt, wc?lche durch den Kohlenstoff-Faden 7 zusammengeheftet sind, der Teil urn Teil diesen Stapel in einer praktisch senkrechten Richtung zur Ebene der Lagen 3 in Form eines kontinuierlichen, gespannten

709832/0695

Fadens durchquert, dessen sichtbare Teile an einandergegenüberliegenden Flächen des StapeLs der Lagen 3 liegen. Der Schiffchenfaden 11, der zur Bildung des Knotenpunkts dient, bildet seinerseits durch den zylindrischen Träger 1 einen kontinuierlichen Faden, der einer Kurve mit sinusartigem Verlauf und kleiner Amplitude folgt, deren einer Scheitelpunkt praktisch auf der Innenfläche des zylindrischen Trägers 1 liegt, während der andere im Inneren dieses Trägers und möglichst nahe seiner Innenfläche liegt.

Die so erhaltene Einheit wird so_dann in einen Ofen 20 gebracht, der in sehr schematischer Form dargestellt ist. Man bringt den Ofen 20 auf eine Temperatur von 1000 C und führt in den geschlossenen Ofenraum kontinuierlich einen gasförmigen Kohlenwasserstoff ein, wie z.B. Methan.

Bei dieser Temperatur verschwindet das den Träger bildende Balsaholz durch Pyrolyse und zersetzt sich zu flüchtigen Produkten, während das Methan dissoziiert und pyrolytischeh Kohlenstoff oder Graphit liefert, der sich auf den festen Oberflächen im Inneren des Ofens 20 und insbesondere auf den Fäden der dreidimensionalen Struktur abscheidet, die er versteift. Der Schiffchenfaden wird ebenso bei dieser Temperatur pyrolysiert, und man erhält am Ende des Vorgangs ein Stück in Form einer zylindrischen Einfassung, dargestellt im Teil B der Figur, das den Stapel der vom Kohlenstoff-Faden 7 durchquerten Lagen 3 aufweist. Dieses Teil hat einen Innendurchmesser, der praktisch gleich dem Aussendurchmesser des zylindrischen Trägers 1 ist, und es hat eine Dicke, die praktisch gleich der des Stapels der Lagen 3, die zuvor auf dem Träger waren, ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, umfaßt der in Teil A dieser Figur dargestellte zylindrische Träger 1 einen Graphitkern la, der vom pyrolysierbaren Material 1b, wie z.B. Balsa, umgeben ist.

709832/0695

Bei dieser Variante erfolgt das Nähen der auf dem zylindrischen Träger 1 übereinanderliegenden Lagen genauso, und man bringt dann das Ganze in den Ofen 20 mit einer Temperatur von 1OOO C in Gegenwart eines Methanstroms.

Ebenso verschwindet das pyrolysierbare Material Ib und dissoziiert in flüchtige Produkte. Am Ende des Vorgangs erhält man ein Teil dreidimensionalen, gut versteiften Gewebes, das im Teil B dargestellt ist, und es genügt nun, die Innenfläche dieses Teils wieder zu bearbeiten, um den nicht pyrolysierten Graphitkern herauszuziehen.

Wenngleich in diesem Beispiel eine Durchführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Stücken oder Teilen aus Kohlenstoffgeweben beschrieben wurde, ist es klar, daß die Gewebe aus anderen Fäden hergestellt sein können, wenn sie nicht unter dem Einfluß der für die Pyrolyse des den Träger bildenden Materials nötigen Temperatur abgebaut werden.

Im übrigen können die zur Bildung des dreidimensionalen Gewebes bestimmten Fasern von gleicher oder verschiedener Art sein. Man kann insbesondere Graphitfasern, Glasfasern oder Quarzfasern in verdrillter oder unverdrillter Form verwenden.

709832/0695

Claims (9)

27CK378 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Teilen dreidimensionalen Gewebes, bei dem aufeinanderfolgend Lagen zweidimensionalen Gewebes oder Lagen· von paralleln, sich alternativ von einer Lage zur anderen in einer ersten und einer zweiten Richtung erstreckenden Fäden gestapelt und der so aufgebaute Stapel parallelen Linien folgend mit einem Faden, der sich in einer dritten Richtung erstreckt, genäht werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen auf einem Träger aus pyrolysierbarem Material gestapelt werden, daß der Stapel dieser Lagen und des Trägers mit dem sich in der dritten Richtung erstreckenden Faden genäht und die so erhaltene Einheit einer Temperatur zwischen 800 und 1200 °C in Gegenwart eines gasförmigen KohlenwasserstoffStroms zur Pyrolyse des den Träger darstellende Materials und zur Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff oder Graphit auf den das dreidimensionale Gewebe bildenden Fäden oder Fasern ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als pyrolysierbares Material Karton oder Balsa verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel der Lagen und des Trägers mit dem sich in der dritten Richtung erstreckenden Faden mit einem mit Hilfe eines Schiffchen-Hilfsfadens gebildeten Knotenpunkt genäht und die Spannung (der Zug) der beiden Fäden derart reguliert wird, daß der Knoten zwischen den beiden Fäden in der Dicke des Trägers entsteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiger Kohlenwasserstoff Methan oder Propan verwendet wird.

709832/0695 ORIGINAL INSPECTED

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein von einem pyrolysierbaren Material umgebener Graphitkern eingesetzt und dieser nach der Wärmebehandlung bei zur Pyrolyse des Materials ausreichender Temperatur herausgezogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Fäden oder Fasern für das Gewebe solche aus Kohlenstoff, Graphit, Glas oder Siliciumdioxid verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß verzwirnte Fäden oder Fasern verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Schiffchen-Hilfsfaden ein solcher aus pyrolysierbarem Material aus der Gruppe der Rayon- oder Baumwollfäden verwendet wird.

9. Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Teilen oder Stücken in Form einer zylindrischen Einfassung, eines Kegelstumpfes, einer Platte oder Scheibe.

709832/0695