DE2704378C2 - Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstoffgegenständen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Faserverbundstoffgegenständen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung 60 muß, der mit den Möglichkeiten der Abscheidung von von Faserverbundstoffgegenständen mit dreidimensio- pyrolytischem Kohlenstoff oder Graphit aus einem gasnaler Faserausrichtung gemäß Oberbegriff des An- förmigen Kohlenwasserstoff vereinbar ist. In einer bespruchs 1 vorzugten Ausgestaltung der Erfindung verwendet man
Dreidimensionale Gewebeteile bestehen allgemein Karton oder Balsa. Diese Stoffe können bei einer Temaus Fäden, Fasern, Vorgarnen usw. die in dem Textile- 65 peratur unter 10000C vollständig pyrolysiert werden, webe oder der Textilware in drei verschiedenen, im all- Die Wärmebehandlung erfolgt in Gegenwart eines gasgemeinen zueinander senkrechten Richtungen orien- förmigen Kohlenwasserstoffs wie Methan oder Propan, tiert sind. Dank ihrer erhöhten mechanischen Festigkeit, In einer speziellen Ausführungsform 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 Unterfadens. Man reguliert die Spannung der beiden Fäden so, daß der Knoten zwischen den beiden Fäden in der Dicke des Trägers liegt Der Unterfaden besteht vorteilhafterweise aus einem pyrolysierbaren Material, z. B. aus Baumwolle oder Rayon.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung enthält der Träger einen Graphitkern, der von pyrolysierbarem Material umgeben ist, und nachdem die gesamte Anordnung der zum- Pyrolisieren des Materials notwendigen Temperatur ausgesetzt worden ist, wird der Graphitkern herausgezogen. So gelingt es, dem Träger eine bessere Festigkeit zu verleihen, der bei Aufbringen der Faserlagen und beim Vernähen nicht verformt wird.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 die erste Stufe des Verfahrens, das Nähen des Stapels der Lagen und des Trägers;
F i g. 2 die zweite Stufe des Verfahrens, die Wärmebehandlung der erhaltenen Einheit; und
F i g. 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 F i g. 1 ist der Träger 1 aus Balsa in zylindrischer Form entsprechend den Abmessungen des herzustellenden Teils zu sehen. Auf der Außenfläche des Trägers 1 werden mehrere übereinander gelegte Lagen 3 aus Kohlenstoffgeweben oder verdrillten oder unvercii'illten Kohlenstoff-Fasern so angeordnet, daß eine zweidimensionale Struktur gewünschter Dicke um den zylindrischen Träger t 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 Richtung 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 das Einführen tier mit dem Kohlenstoff-Faden 7 versehenen Nadel 5 durch den Stapel der Lagen 3 und des Trägers 1 erleichtert wird. Die Nähmaschine ist mit einem (nicht dargestellten) Schiffchen ausgestattet, das mit einem ziemlich festen Unterfaden 11, wie z. B. einem Faden aus Baumwolle 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 Unterfaden 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 Unterfadens 11 wird vorab so geregelt, daß der Knoten zwischen den beiden Fäden in der Dicke des zylindrischen Trägers 1 liegt, und zwar der Innenfläche des Trägers so nahe wie möglich.
Dann werden weitere fortlaufende Nahtlinien erzeugt, wie 136,13c; 13t/, 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 A die Struktur der erhaltenen Einheit nach dem Nähvorgang zu sehen, die die Schichtung oder den Stapel der Lagen 3 zeigt, weiche durch den Kohlenstoff-Faden 7 zusammengeheftet sind, der Teil um Teil diesen Stapel in einer praktisch senkrechten Ricntung zur Ebv'-se der Lagen 3 in Form eines kontinuierlichen, gespaanien Fadens durchquert, dessen sichtbare Teile an einandergegenüberliegenden Flächen des Stapels der Lagen 3 liegen. Der Unterfaden 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 sodann 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 pyrolytischen 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 Unterfaden 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 ib, wie z. B. Balsa, umgeben ist.
Bei dieser Variante erfolgt das Nähen der auf dem zylindrischen Träger 1 übereinanderliegenden Lagen genauso, und man bringt dann das Ganze in den Ofe>i20 mit einer Temperatur von 10000C 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 bear-
beiten, um den nicht pyrolysierten Graphitkern herauszuziehen.
Wenngleich in diesem Beispiel eine Durchführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Stücken oder Teilen aus Kohlenstoffasern beschrieben wurde, ist klar, daß auch andere Fasern verwendet werden 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.
15
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
20
40 45 50 55 60 65

Claims (8)

1 2 ihres ausgezeichneten Wärmeisolationsvermögens und Patentansprüche: ihrer guten Stoß- und Abriebfestigkeit finden diese Textilwaren zahlreiche Anwendungen in Form von Hoch-
1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbund- leistungsfäden oder -fasern, wie z.B. Kohlenstoff-Fastoffgegenständen mit dreidimensionaler Faseraus- 5 sern, Graphitfasern oder Fasern analoger Materialien, richtung, bei dem aufeinanderfolgend Faserlagen So werden diese Gewebe in vorteilhafter Weise zur mit zweidimensionaler Faserausrichtung oder Lagen Herstellung von Wiedereintrittskörpern von Raketen von parallelen, sich alternativ von einer Lage zur oder anderen ähnlichen Flugkörpern sowie fxr die Veranderen in einer ersten und einer zweiten Richtung wirklichung von Wärmeschutzschilden und Bremsbeläerstreckenden Fäden gestapelt und der so aufgebau- io gen verwendet.
te Stapel parallelen Linien folgend mit einem Faden, Aus der DE-AS 10 08 247 ist ein Verfahren der einder sich in einer dritten Richtung erstreckt, genäht gangs genannten Art bekannt Dieses Verfahren dierrt werden, dadurchgekennzeichnet.daßdie zur Herstellung eines Textilstoffs für Oberbekleidungs-Lagen (3) auf einem Träger (1) aus pyrolysierbarem stücke oder Decken. Will man nun Faserverbundstoff-Material gestapelt werden, daß der Stapel dieser La- is gegenstände herstellen, die eine bestimmte geometngen (3) und des Trägers (1) mit dem sich in der drit- sehe Form haben, so ist es zweckmäßig oder sogar notten Richtung erstreckenden Faden (7) genäht und wendig, einen Träger zu verwenden, auf dem zunächst die so erhaltene Einheit einer Temperatur zwischen die Faserlagen aufgebracht werden, bevor diese Faser-800 und i200°C in Gegenwart eines gasförmigen lagen mit einem Faden vernäht werden. Verwendet man Kohlenwasserstoffstroms zur Pyrolyse des den Trä- 20 z. B. einen Träger aus Metall, so müssen an bestimmten ger (1) bildenden Materials und zur Abscheidung Stellen und in ausreichender Zahl Lücken vorgesehen von pyrolytischem Kohleastoff oder Graphit auf den sein, durch die die Nadel beim Vernähen der Lagen das dreidimensionale Fasergebilde bildenden Fäden hindurchtreten kann. Das Abnehmen des Gegenstands bzw. Fasern ausgesetzt wird. von dem Träger bringt zusätzliche Probleme : mit sich.
2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 Aus der US-PS 33 67 812 ist es bekannt, dreidtmensiozeichnet, daß als pyrolysieröares Material des Trä- nale Gegenstände aus Kohlenstoff-Fasern herzustellen, gers(l) Karton oder Balsa verwendet wird. wobei die mit einem Bindemittel behandelten Fasern
3 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, z. B. auf eine abschmelzbare Form gewickelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel der Lagen Nach Aushärten des Bindemittels wird die Form ent-(3) und drs Trägers (1) mit dem sich in der dritten 30 fernt Dieses Verfahren gestattet allerdings nicht die Richtung erstreckenden Faden (7) mit einem mit HiI- Herstellung von dreidimensionalen Verbundstoffgegenfe eines Unterfaden (11) gebildeten Knotenpunkt ständen, bei denen die vorab auf den Träger bzw. die genäht und die Spamiung der beiden Fäden (7; 11) Form aufgebrachten Lagen anschließend vernäht werderart reguliert wird, daß dt Knoten zwischen den den.
beiden Fäden (7; 11) in der Dicke des Trägers (1) 35 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-
en«teht fahren der eingangs genannten Art zu.schauen, «as die
4 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Herstellung von Faserverbundstoffgegenständen mit dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmiger Koh- dreidimensionaler Faserausrichtung gestattet, wobei die lenwasserstoff Methan oder Propan verwendet wird. Gegenstände exakte Form und Abmessungen aufwei-
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 40 sen, gute Steifigkeit und Festigkeit besitzen und die Fadadurch gekennzeichnet, daß als Träger ein von ei- serlagen durch einen Faden vernäht sind.
nem pyrolysierbaren Material umgebener Graphit- Ausgehend von einem Verfahren der eingangs ge-
kern (la; eingesetzt und dieser nach der Wärmebe- nannten Art wird diese Aufgabe durch die im kenn-
handlung bei zur Pyrolyse des Materials ausreichen- zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merk-
der Temperatur herausgezogen wird. 45 malegeiöst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Durch das erftndungsgemäße Verfahren ist es mogdadurch gekennzeichnet, daß für das Fasergebilde lieh, einen leicht herzustellenden und damit auch in sei-Fäden bzw. Fasern aus Kohlenstoff, Graphit, Glas ner Form jeweils ohne großen Aufwand an den jeweili- oder Siliciumdioxid verwendet werden. gen Bedarf anpaßbaren Träger zu verwenden, welcher
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn- 50 durch Pyrolyse entfernt wird. Die dreidimensionale zeichnet daß verzwirnte Fäden verwendet werden. Struktur wird durch eine Abscheidung von pyrolyti-
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, schem Kohlenstoff oder Graphit auf der Faseroberflädadurch gekennzeichnet, daß als Unterfaden (11) ein ehe versteift
solcher aus polysierbarem Material aus der Gruppe Bei der Wahl eines passenden pyrolysierbaren Mate-
der Rayon- oder Baumwollfäden verwendet wird. 55 rials 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
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