DE3131059A1 - Verfahren zur herstellung von kohlenstoffaserverstaerkten kohlenstoffverbundmaterialien - Google Patents
Verfahren zur herstellung von kohlenstoffaserverstaerkten kohlenstoffverbundmaterialienInfo
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Description
.PATENTANWÄLTE
DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B-. HANSEN
ARABELLASTRASSE 4 - D-8000 MÖNCHEN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29419 (PATHE)
35 349 o/wa
- 6 ■ -
TOHO BESLON C0-r LTD., TOKYO / JAPAN
Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffaserverstärkten
Kohlenstoffverbundmaterialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffverbundmaterialien.
Kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffverbundmaterialien
haben eine hohe Sublimationstemperatur und mechanische Eigenschaften, die in dem Masse, wie die Temperatur erhöht
wird, ansteigen, sowie eine hohe Thermoschockbeständigkeit, eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und sind chemisch
inert, weil die Matrix aus Kohlenstoff oder Graphit besteht.
Da sie mit Kohlens-toffasern verstärkt sind, haben sie
Λ ψ *■ -ft" & * «Μ
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften im Vergleich
zu unverstärkten Kohlenstoffmaterialien. Deshalb werden
sie in grossem Masse als Hochtemperaturisoliermaterialien,
als Bremsmaterialien für Flugzeuge und als Konstruktionsmaterialien
für die Raumfahrt und dergleichen angewendet.
Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von hohlzylindrischen kohlenstoffaservers-Lärkten Kohlenstoff—
Verbündmaterialien, hat man Faserbündel oder Bänder aus Kohlenstoffasern mit einem hitzehärtbaren Harz imprägniert
(nachfolgend als "Prepreg" bezeichnet) und auf eine Stahlspindel aufgewickelt und nach dem Aushärten
des hitzehärtbaren Harzes davon entfernt und anschliessend die Karbonisierung vorgenommen oder man hat sie
alternativ auf die Innenoberfläche einer zylindrischen
Form laminiert und sie dann nach dem Aushärten des hitzehärtbaren Harzes unter Druck entfernt und anschlies-■
send karbonisiert.
■
Während der Karbonisierung können jedoch Strukturschäden,
wie eine Deformierung, eine Delaminierung oder eine
Rissbildung, stattfinden und info.'.gedessen ist es recht
schwierig, insbesondere bei kohlenstoffaserverstärkten
Kohlenstoffverbundmaterialien, solche mit einer hohen Dicke oder mit einer sehr geringen Dicke nach den üblichen
Verfahren herzustellen.
Man nimmt an, dass solche Schaden wie folgt verursacht
werden:
Während der Karbonisierung des hitzehärtbaren Harzes
findet zu Beginn der Erhitzungsstufe eine thermische
Expansion der Matrix statt und anschliessend bei der thermischen Zersetzung ein Volumenschrumpf. Eine solche
Deformierung der Matrix verursacht grosse innere Spannungen zwischen der Matrix und den Verstärkungsfasern,
weil sich die Länge der Verstärkungsfasern nicht entsprechend ändert. Infolgedessen gibt es in der mittleren
Stufe, bis die Matrix karbonisiert wird, einen Zeitabschnitt, bei dem die mechanische Festigkeit der
Matrix sehr schlecht ist und infolgedessen können die inneren Spannungen grosser werden als die Festigkeit
der Matrix und dadurch können die vorerwähnten strukturellen Schäden eintreten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Herstellung von kohlenstoffaserverstärktem Verbundmaterial
zu zeigen, das keine Strukturschäden, wie Deformierung, Delaminierung oder Rissbildung, aufweist!*
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffverbundmaterialien
herzustellen, die für die Herstellung zahlreicher Produkte, wie von Hohl- oder
Vollzylindern, Prismen, Kegeln, stumpfen Kegeln und Erlenmeyer- oder weinflaschenähnlichen Produkten geeignet
sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffverbundmaterials
und ist dadurch gekennzeichnet, dass man (1) ein aus mit einem hitzehärtbaren Harz imprägnierten Kohlenstoffasern
aufgewickeltes Laminat auf einer Spindel
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herstellt, die aus einem Material gebildet ist, welches
unter den ausgewählten Karbonisierungsbedxngungen nicht
mit Kohlenstoff reagiert und das einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1 χ 1 0~ /0C oder weniger
hat und einen Schmelzpunkt, der höher ist als die Karbonisierungstemperatur unter den ausgewählten Karbonisierungsbedxngungen,
(2) dass man das hitzehärtbare Harz härtet und (3) dass man die Karbonisierung unter den
ausgewählten Karbonisierungsbedincungen durchführt, während
man das Laminat auf der Spindel aufgewickelt hält.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Rohres
aus einem kohlenstoffas erverstärkten Kohlenstoff
verbundmaterial ge mäss der Erfindung. 15
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, bei der ein Teil weggeschnitter, ist und der Querschnitt
eines Zylinders gezeigt wird aus einem zweischichtigen Kohlenstoffverbundmaterial gemäss
der Erfindung.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, bei der
ein Teil weggeschnitten und der Querschnitt gezeigt wird einer kubischen Form, die aus
einem zweischichtigen Kohlenstoffverbundma
terial gemäss der Erfindung hergestellt wurde.
Die hier verwendete Kohlenstoffaser ist eine kohlenstoffhaltige
Faser, die durch Karbonisieren eines Vorläufers, der hauptsächlich aus Rayon, Polyacrylnitril, Pech oder
dergleichen besteht, in einer inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1000 bis 20000C oder einer
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Graphitfaser, die hergestellt worden ist durch Graphitisieren des Vorläufers bei einer Temperatur von 20000C
oder mehr, besteht. Verfahren zur Herstellung der Faser sind beispielsweise aus der japanischen Patentveröffentlichung
4405/62 und US-PS 3 412 062, entsprechend der GB-PS 1 110 791, bekannt. Der hier verwendete Ausdruck
11 Kohlenstof faser" umschliesst somit sowohl die kohlenstoffhaltigen
als auch die graphitischen Fasern.
Das aufgewickelte Laminat aus Kohlenstoffasern, die mit
einem hitzehärtbaren Harz imprägniert sind, kann man auf die Spindel aufbringen, indem man die Kohlenstoffasern
oder die Bänder auf die Spindel aufwickelt oder indem man in einer Richtung orientierte Blätter, Gewebe, Vliese
oder dergleichen aus Kohlenstoffasern auf die Spindel aufbringt und dann mit dem hitzehärtbaren Harz imprägniert
oder indem man Faserbündel, gewebte oder nichtgewebte Stoffe, Kordeln oder gestrickte Gewebe aus Kohlenstofffasern,
die mit exnemhitzehärtbaren Harz imprägniert sind,' aufwickelt und auf der Spindel laminiert.
Erforderlichenfalls kann man nach dem Aufwickeln des Laminats
ge"mäss der ersteren Methode oder vor oder nachdem man das aufgewickelte Laminat nach der letzteren Methode
erhalten hat, das hitzehärtbare Harz einer Vorhärtung unterwerfen, um die Formgebung zu erleichtern.
Hitzehärtbare Harze, die erfindungsgemäss verwendet werden können, sind beispielsweise Furanharze, phenolische
Harze, Polyimidharze und Epoxyharze. Wenn diese hitzehärtbaren Harze sehr viskos oder fest sind, werden sie in
einem geeigneten Lösungsmittel gelöst oder durch Erhitzen geschmolzen.
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Il * ι· "
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Die Menge an Kohlenstoffasern in dem fertigen kohlenstof
faserverstärkten Kohlenstoffverbundteil des Produktes
wird vorzugsweise auf 20 bis 80 Vol.% und insbesondere 30 bis 60 Vol.%, bezogen auf das Volumen des
kohlenstoffaserverstärkten KohlenstoffVerbundmaterials,
eingestellt, obwohl es je nach dem für das Produkt angestrebten Verwendungszweck variieren kann. Diese Einstellung
kann man■■: in einfacher Weise durch eine geeignete Auswahl der Ausgangsmäterialien und der Verfahrensbedingurigen
erzielen.
Die Dicke des aufgewickelten Laminats hängt von dem Verwendungszweck des Produktes ab. Bei einer Dicke von 5 mm
oder mehr tritt besonders die Verbesserung hinsichtlieh der Verhinderung des Auftretens von Rissen in den
Vordergrund und bei Dicken von weniger als 5 mm ist die Vermeidung von Deformationen bemerkenswert. Die
Dicke des Endproduktes beträgt im allgemeinen 1 bis 200 mm jedoch kann es auch weniger als 1 mm oder mehr als 200 mm
und sogar bis zu einem Meter dick sein.
Das in dem aufgewickelten Laminat enthaltende hitzehärtbare
Harz wird erforderlichenfalls nachgehärtet und dann karbonisiert. Die Karbonisierung wird im allgemeinen
in einer inerten Atmosphäre aus Stickstoff, Argon oder dergleichen, bei einer Temperatur von 500 bis 15000C
oder erforderlichenfalls noch höher, durchgeführt.
Die Kohlenstoffmatrix in dem kohlenstoffaserverstärkten KohlenstoffVerbundmaterial, das man durch Karbonisierung
des hitzehärtbaren Harzes erhält, kann gewünschtenfalls
verdichtet werden. Für die Verdichtung kann man
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hitzehärtbare Harze der vorerwähnten Art, wie Kohleteer.
Pech und dergleichen, verwenden. Dazu wird das kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffverbundmaterial
mit solchen Verbindungen imprägniert, die dann in der vorher angegebenen Art karbonisiert werden. Diese
Imprägnierung und Karbonisierung wird wiederholt, bis man die gewünschte Dichte des Verbundmaterials erhält.
Die Karbonisierungsbedingungen in diesem Fall (d.h. bei der Verdichtung) sind die gleichen wie die vorher
erwähnten "Karbonisierungsbedingungen". ' ·
Nach der Karbonisierung wird erforderlichenfalls eine
Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 20000C oder
mehr zum Graphitisieren des kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffs vorgenommen. Wenn das so erhaltene karbonisierte
Produkt eine grosse Dicke hat und einer Wärmebehandlung bei .einer Temperatur von mehr als 26000C
unterworfen wird, dann wendet man vorzugsweise Graphitfasern als Verstärkungsfasern an und die Wärmebehandlung
wird vorzugsweise wiederholt vorgenommen nach dem jedem
Karbonisierungsverfahren der Verdichtungsbehandlung.
Der Ausdruck "Karbonisierungsbedingungen" schliesst alle Bedingungen für die Karbonisierung und Graphitisierung
auch für den Fall ein, bei dem ein hitzehärtbares Harz graphitisiert wird.
Substanzen, die man bei der Herstellung der hier verwendeten
Spindel anwenden kann, sind kohlenstoffhaltige und keramische Materialien, die mit Kohlenstoff in
einer inerten Atmosphäre, "wie Stickstoff oder dergleichen, bei einer vorgewählten Karbonisierungstemperatur
oder wenn die Hitzebehandlung nach dem Karbonisieren
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erfolgt, bei einer vorgewählten Hitzebehandlungstemperatur , nicht reagieren und die einen linearen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 1x10 /0C oder weniger
und vorzugsweise von 5 χ 10-6/0C oder weniger haben und
einen Schmelzpunkt aufweisen, der höher ist als die vorgewählte Karbonisierungstemperatur oder, wenn die Hitzebehandlung
erfolgt, höher ist als die vorgewählte Hitzebehandlungstemperatur.
Bevorzugte kohlenstoffhaltige Materialien sind solche, die hauptsächlich aus Kohlenstoff oder Graphit bestehen.
Bevorzugte keramische Materialien sind solche, die hauptsächlich aus Berylliumoxid, Zirkoniumoxid, Borkarbid,
Siliziumkarbid, Tantalkarbid, Titankarbid, Wolframkarbid, Zirkonkarbid und Siliziumnitrid bestehen.
Die für die Spindel geeigneten Materialien sind aus
folgenden Grunde begrenzt:
Wird das auf der Spindel aufgewickelte Laminat bei einer Temperatur von 500 bis 15000C zur Herstellung eines kohlenstoffaserverstärkten
KohlenstoffVerbundmaterials oder um das kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffverbundmaterial
weiter zu verstärkten, karbonisiert, wo wird es mit einem hitzehärtbaren Harz oder Kohleteer oder
Pech oder dergleichen imprägniert und dann karbonisiert
oder einer Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 20000C
oder mehr unterworfen, und wenn das Material, aus welehern
die Spindel besteht, mit dem Kohlenstoff oder dem Graphit, der einen Hauptbestandteil in dem Kohlenstoffverbundmaterial
darstellt, reagiert, kann man kein
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kohlenstoffaserverstärktes Kohlenstoffverbundmaterial mit befriedigenden mechanischen Eigenschaften erhalten.
Die Spindel soll einen Schmelzpunkt, haben, der höher als
die Karbonisierungstemperatur bzw. höher als die Wärmebehandlungstemperatur
bei der Wärmebehandlung ist. Weiterhin soll sie eine ausreichende Festigkeit haben, um
eine Deformierung der inneren Oberfläche der. Form bei derart hohen Temperaturen zu verhindern.
Darüber hinaus soll die Spindel einen linearen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 1 χ 10~ /0C oder weniger
haben, um beim Erhitzen auf die Karbonisierungstemperatur oder bei der Wärmebehandlung zum Graphitisieren das
KohlenstoffVerbundmaterial nicht zu schädigen. Ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient grosser als
1 χ 10~ /0C, so wird durch den Unterschied in der Wärme-,
ausdehnung zwischen der Spindel und dem. Kohlenstoffverbundmaterial
eine Zerstörung des Kohlenstoffverbundmaterials bewirkt.
Die Form der Spindel hängt von der gewünschten Form des gewünschten Produktes ab,, d.h. dass die Spindel zylindrisch,
prismatisch, konisch, in Form eines abgestumpften Kegels oder Erlenmeyerkölben- oder weinflaschenähnlich sein kann.
Die Spindelwird in einem Zustand gehalten, bei dem sie
in dem gewünschten Produkt vorhanden ist, bis die letzte Stufe vollendet wurde oder alternativ kann man die Spin-
· del auch entfernen, nachdem dem Kohlenstöffverbundmaterial
durch Verdichten eine ausreichende Festigkeit verliehen wurde und dann wird anschliessend die Wärmebehandlung
durchgeführt.
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Gewünschtenfalls kann man die Imprägnierung während der
Verdichtungsstufe des Kohlenstoffverbundmaterials dadurch
erleichtern, dass man eine Hohlspindel verwendet, in welcher eine Reihe kleine Löcher in den Seitenwandüngen
vorgesehen ist.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren erhält man kohlenstof
faserverstärkte KohlenstoffVerbundmaterialien, die
keine Strukturschaden, wie Deformierung, Delaminierungen
und keine Rissbildungen aufweisen.
Nach der Bildung des kohlenstoffaserverstärkten Kohlen-.stoffVerbundmaterials
gemäss der Erfindung wird die Spindel entfernt oder man kann alternativ, je nach dem
beabsichtigten Verwendungszweck des Kohlenstoffverbundmaterials, die ganze Spindel oder einen Teil davon darin
belassen, wobei man ein kohlenstoffaserverstärktes
Kohlenstoffverbundmaterial mit zweischichtiger Struktur einschliesslich der Spindelschicht als Innenschicht erhält.
Im letzteren Fall erhält man dann, wenn man eine Spindel aus Kohlenstoff oder Graphit verwendet, ein kompaktes oder hohles KohlenstoffVerbundmaterial mit zweischichtigem
Aufbau, wobei die Innenschicht bzw. der Kern aus einem kohlenstoffhaltigen Material und die Aussen-.
schicht aus einem kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffmaterial besteht. . . ,
Kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoffmaterialien mit
einem solchen zweischichtigen Aufbau können als leichtgewichtige
Materialien mit grosser Gleichmässigkeit, Genauigkeit und Dichtigkeit der Innenschicht oder des Kerns
und grosser Festigkeit und Dauerhaftigkeit in der
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Aussenschicht hergestellt werden. Deshalb kann man solche
Kohlenstoffverbundmaterialien als Eormmaterialien für Heisspressverfahren oder als Materialien für die
Brenndüsen von Raketen, bei denen ein gleichmässiger Abbrand erforderlich ist* verwenden.
Als Kohlenstoffmaterialien für eine Spindel, die bei
der Herstellung von kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoff verbundiaaterialien verwendet wird, kann man Kohleh-Stoffmaterialien
aus Kohlenstoff oder Graphit, wie sie im Handel erhältlich sind, verwenden. Wenn das Kohlenstoffverbundmaterial
einer Oberflächenbehandlung mit hoher Präzision unterworfen wird, wie bei einer Form, so
wendet man hochdichte Kohlenstoffmaterialien (in welchen die Schüttdichte gegenüber der wirklichen Dichte hoch ist)
an und zusätzlich kann man undurchdringliche Kohlenstoffmaterialien und spezielle Kohlenstoffmaterialien verwenden.
" ·-* "
Bei der Herstellung von KohlenstoffVerbundmaterialien
mit dem vorerwähnten zweischichtigen Aufbau, wird ein kompaktes oder hohles Material als kohlenstoffhaltiges
Material für die Innenschicht bzw. den Kern verwendet und dann erfolgt die Verarbeitung, je nach der gewünschten
Konstruktion,
Kohlenstoffverbundmaterialien mit zweischichtigem Aufbau
erhält man auch, indem man die zwei Schichten getrennt herstellt und anschliessend miteinander verbindet. Bei
diesem Verfahren treten jedoch die folgenden Nachteile auf:
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(1) Ira Laufe der Formgebung des Kohlenstoffverbundmaterials
in der Aussenschicht, treten Strukturschäden, wie eine Dislokation bei den Verstärkungsfasern,
Deformationen, Delaminierung der laminierten Oberfläche
oder eine Rissbildung, ein.
(2) Es kann auch eine Delaminierung zwischen der
Kohlenstoffmaterialschicht und der Kohlenstoffverbundmaterialschicht
eintreten.
Diese Probleme kann man aber dadurch vermeiden, dass man
ein Kohlenstoffmaterial als Kern verwendet und direkt
auf. dem Kern nach dem erfindungsgemässen Verfahren eine
Kohlenstoffverbündmaterialschicht ausbildet.
In Fig. 1 wird ein KohlenstoffVerbundmaterial, das nach
dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wurde, gezeigt
und in den Fig. 2 und 3 werden Kohlenstoffverbundmaterialien
mit zweischichtigem Aufbau gezeigt. In den Fig. 1,2 und 3 bedeuten die Ziffern 1 und 2 ein kohlenstof
faserverstärktes KohlenstoffVerbundmaterial bzw. ein Kohlenstoffmaterial.
Ein zylindrisches Graphitmaterial (mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3 χ 10~ /0C)
und einem Aussendurchmesser von 30 mm wurde als Spindel
verwendet.
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Kohlenstoffasern (Besfight HTA 6.000, Bündel aus
6000 Fäden mit jeweils einem Durchmesser von etwa 7 μπι,.
hergestellt von Toho Beslon Co., Ltd.) wurden mit einer 70 %-igen methanolischen Lösung aus einem
Phenolharz (Sumilite Resin PR-50273, hergestellt von Sumitomo Durez Co., Ltd.) imprägniert und dann mit einem
AufWicklungswinkel, von 45° auf die Spindel aufgewickelt
und bis zu einem Aussendurchmesser von 70 mm laminiert.
Ein solches Aufwickeln einer harzimprägnierten Faser
(oder von Bändern) auf eine Spindel wird allgemein als "Faser (oder Band)-AufWicklungsmethode11 bezeichnet.
Das auf die Spindel aufgewickelte Laminat wurde 1 Stunde bei 1700C gehärtet und dann 8 Stunden bei 2500C nachgehärtet und anschliessend in einer Rate von 50°C/Stunde
in einer Stickstoffatmosphäre auf 10000G erhitzt und
bei dieser Temperatur 1 Stunde zur Bewirkung der'Karbonisierung
gehalten.
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Die als Kern verwendete Spindel wurde abgezogen und entfernt, wobei man ein rohrförmiges, kohlenstoffaserverstärktes
Kolilenstoffverbundmaterial mit einem Fasergehalt
von 50 Völ.%, einem Innendurchmesser von 30 mm und einem Aussendurchmesser von 70 mm, das spannungsfrei und.
gleichmässig war, erhielt.
Ein rohrförmiges Kohlenstoffmaterial (linearer thermischer
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Ausdehnungskoeffizient 3x10 /0C) mit einem Innendurchmesser
von 35 mm und. einem Aussendurchmesser von 60 mm,
bei dem Löcher mit einem Durchmesser von 2 mm in Abständen von 15 mm vorhanden waren, wurde als Spindel verwendet.
Fäden aus Kohlenstoffasern (Besfight, hergestellt von
Töho Beslon Co., Ltd., HTA 3000, Anzahl der Fäden 3000;
200 g/m2; 4-Harness-Satin) wurde mit einem Furanharz (Hitafuran VF302 der Hitachi Chemical Co., Ltd., mit
0,3 Gew.% Katalysator) in einer Menge von 300 g/m2 beschichtet, auf die Spindel nach 30-minütigem Vorhärten
bei 70°C walzenlaminiert und dann 2 Stunden bei 1700C
gehärtet. Man erhielt einen Formkörper mit einem Aussendurchmesser von 110 mm. Durch Erhitzen des Produktes
auf "10-00"C in einer Rate von 30°C/h in einer Stickstoffatmosphäre
und Aufrechterhalten dieser Temperatur während T Stunde, wurde die Matrix karbonisiert.
Zur Verdichtung des KohlenstoffVerbundmaterials wurde
der Formkörper in ein Gefäss, das das gleiche Furanharz wie oben angewendet enthielt, gelegt und mit dem Harz
durch Anlegen eines Vakuums von 600 mmHg während 1 Stunde und anschliessender Druckbehandlung von 10■kg/cm2 imprägniert
und dann wurde die Karbonisierung unter den gleichen Bedingungen wie oben angegeben, vorgenommen. Diese
Verdichtung wurde 5 mal wiederholt.
Die Spindel wurde abgeschnitten und entfernt, wobei man ein rohrförmiges kohlenstoffaserverstärktes Kohlenstoffverbundmaterial
mit einem Fasergehalt von 55 Vol.%, einer scheinbaren Dichte von 1,50 g/cm3, das keine Risse aufwies
und gleichmässig war, erhielt.
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Ein rohrförmiges Graphitmaterial (Wärmeausdehnungskoeffizient
2x10" /0C) mit einem Innendurchmesser von
40 mm und einem Aussendurchmesser von 50 mm wurde als Spinden verwendet.
Kohlenstoffasergewebe (hergestellt von der Toho Beslon
Co., Ltd., HTA 1000; Anzahl der Fäden 1000; 120 g/m2; 4-Harness-Satin) wurde mit einer 50 Gew.%-igen methanolischen
Lösung eines Phenolharzes (Sumilite Resin PR-50273) in einer Menge von 300 g/m2 imprägniert,
zur Entfernung des Lösungsmittels 1 Stunde auf 700C
erwärmt, auf die Spindel walzlaminiert, unter Ausbildung
eines Formkörpers mit einem Faservolumen von 65 % (im Endprodukt), mit einem Aussendurchmesser von 60 mm und
dann 3 Stunden bei 1600C gehärtet. Der Formkörper wurde
in einer Rate von 3°C/Minute in einer Stickstoffatmosphäre auf 8500C erwärmt und 1 Stunde bei dieser Temperatur
unter Karbonisierung der Matrix gehalten.
Zur Verdichtung des Kohlenstoffverbundmaterials wurde der Formkörper in ein Gefäss, das Kohleteer enthielt,
gelegt und mit dem Kohleteer imprägniert, indem man auf ein Vakuum von 700 mmHg 1 Stunde lang evakuierte und
dann eine Druckbehandlung von 5 kg/cm3 vornahm und anschliessend
karbonisierte. Die Verdichtung wurde 4 mal unter den gleichen Bedingungen wiederholt. Zur Erhöhung
der Wärmebeständigkeitseigenschaften des Kohlenstoffverbundmaterials
wurde der Formkörper mit einer Rate von 50°C/Minute in einer Argonatmosphäre erhitzt und
die Graphitisierung wurde während 30 Minuten bei 30000C
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durchgeführt. Man erhielt einen rohrförmigen Formkörper
mit einem Graphitrohr als Innenschicht und einem graphitisierten kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffverbundmaterial als Aussenschicht, das gleichmassig
war und keine Rissbildung zeigte.
Ein Kohlenstoffasergewebe (hergestellt von Toho Beslon
Co., Ltd., Besfight HTA 3000; Anzahl der Fäden 3000;
200 g/m2) wurde zu Bändern von 75 mm Breite geschnitten. Das Band wurde mit einer 70 Gew.%-igen methanolischen
Lösung eines Phenolharzes ■ (Sumilite PR-50273) in einer Menge von 250 g/m2 beschichtet. Das Lösungsmittel wurde durch Erwärmen auf 600C während 2 Stunden entfernt. Anschliessend wurde das Band auf 150 mm χ 75 mm χ
75 mm Graphitmaterial (linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient
4 χ 10 /0C) aufgewickelt, wobei einer
Oberfläche von 150 mm χ 75 mm unbedeckt blieb und man ein aufgewickeltes Laminat erhielt, das dann 1 Stunde
bei 1700C gehärtet wurde, unter Erhalt eines Formkörpers
der Grosse 170 mm χ 95 mm χ 75 mm. Der Formkörper wurde
mit einer Rate von 40°C/Stunde auf 10000C in einer Stickstof
fatmosphäre erwärmt und bei dieser Temperatur unter Karbonisierung der organischen Matrix 30 Minuten gehalten.
Zur Verdichtung des Formkörpers wurd-i dieser wie in
Beispiel 2 beschrieben mit einem Furanharz (Hitafuran
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VF-302) imprägniert und unter den vorerwähnten Bedingungen karbonisiert. Die Verdichtung wurde 6 mal wiederholt.
Dann wurde das Graphitmaterial entfernt. Man erhielt ein rissfreies, kohlenstoffaserverstärktes Kohlenstoffverbundmaterial einer Dicke von 10 mm und einer
äusseren Dimension von 170 mm χ 95 mm χ 75 mm.
Als Spindel wurde ein zylindrisches Siliziumkarbidmaterial mit einem linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von 4/7 χ -1.(
von 10 mm verwendet,
von 10 mm verwendet,
zienten von 4,7 χ 1.0 /0C und einem Aussendurchitiesser
Kohlenstoffasern (hergestellt von der Toho Beslon Co.
Ltd.; Besfight HTA 6000) wurden mit einer 70 Gew.%-igen
methanolischen Lösung eines Phenolharzes · (Sumilite Resin PR-50273) imprägniert und auf die Spindel mit einem Aufwicklungswinkel von 60° aufgewickelt,
bis der Aussendurchmesser 35 mm betrug. Der so erhaltene
Formkörper wurde 1 Stunde bei 170°C gehärtet, 6 Stunden bei 2500C nachgehärtet und dann in einer Rate von
50°C/Stunde in einer Stickstoffatmosphäre auf 10000C erhitzt und 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten,
unter Bewirkung der Karbonisierung.
Zur Verdichtung des Kohlenstoffverbundmaterials wurde der Formkörper wie in Beispiel 3 beschrieben mit Kohleteer
getränkt und dann in der vorerwähnten Weise unter den gleichen Bedingungen karbonisiert. Anschliessend
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":3T
T3T0
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wurde die Siliziumkarbidspindel entfernt und der Formkörper wurde in einer Rate von 5O°C/Stunde in einer
ArgonatmoSphäre erhitzt und anschliessend bei 28000C
graphitisiert. Man erhielt ein rissfreies und gleichmassiges zylindrisches kohlenstoffaserverstärktes
Kohlenstoffverbundmaterial -uit einem Pasergehalt von
50 Vol.% und einer scheinbaren Dichte von 1,55 g/cm3.
Ein zylindrisches Stahlteil (linearer Wärmeausdehnungs-•
koeffizient 2x10 /0C) mit einem Aussendurchmesser
; von 30 mm wurde als Spindel verwendet.
Kohlenstoffasern (jergestellt von der Toho Beslon Co.,
Ltd., Besfight HTA 6000) wurden aus einer 70 Gew.%-igen methanolischen Lösung eines Phenolharzes - ■ (Sumilite
Resin PR-50273) imprägniert und auf die Spindel mit einem AufWicklungswinkel von 45° unter Erhalt
eines Formkörpers mit einem Aussendurchmesser von 75 mm gewickelt. Der Formkörper wurde 1 Stunde bei 1700C gehärtet
und nach Entfernen der Spindel 8 Stunden bei 250°C nachgehärtet. Der Formkörper wurde dann in einer
Rate von 50QC/Stunde in einer Stickstoffatmosphäre
auf 10000C erhitzt und bei dieser Temperatur 30 Minuten
karbonisiert.Es bildete sich eine Anzahl von Rissen und man konnte kein brauchbares kohlenstoffaserverstärktes
KohlenstoffVerbundmaterial erhalten.
Ein Formling mit einem Aussendurchmesser von 75 mm wurde nach der gleichen Fadenaufwicklungsmethode wie
in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt.
Der erhaltene Formling wurde bei 1700C 1 Stunde gehärtet
und ohne Entfernen der Stahlspindel a Stunden bei
2500C nachgehärtet. Dann wurde er in einer Rate von
40°C/Stunde in einer Stickstoffatmosphäre auf 10000C
erwärmt und bei dieser Temperatur 1 Stunde lang unter Karbonisierung der organischen Matrix gehalten. Es bildete
sich eine Anzahl von.Rissen in dem Verbundmaterial und man konnte kein brauchbares Produkt erhalten.
Ein kegelförmiges Graphitteil (linearer Wärmeausdehnungskoeffizient
2 χ 10 /0C) mit einem Radius am Boden
von 45 mm und einer Höhe von 180 mm wurde als Spindel verwendet.
Ein 10 mm breites, bandähnliches flaches Kohlenstofffasergewebe (125 g/m2 , hergestellt unter Verwendung
von HTA-1000-Fadenbündeln der Toho Besolon Co. Ltd.;
Anzahl der Fäden 1000/Bündel) würde mit einer 50 Gew.%-igen
methanolischen Lösung eines "■ Phenolharzes (Sumilite Resin PR-50273) in einer Menge von 3Ou g/m2 beschichtet
und nach 1-stündigem Erwärmen auf 700C unter
Entfernung des Lösungsmittels auf die Spindel mittels
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einer BandaufWicklungsmethode bis zu einer Dicke von
10 mm aufgewickelt. Anschliessend wurde der Formkörper
30 Minuten bei 1700C gehärtet und dann 8 Stunden bei 2500C nachgehärtet. Dann wurde die Form 10 Minuten in
einer Stickstoffatmosphäre bei 9000C in einer Rate von
10oC/Minute erhitzt und bei dieser Temperatur 30 Minuten
unter Karbonisierung gehalten.
Zur Verdichtung des Kohlenstoffverbundmaterials wurde der Formkörper mit dem vorerwähnten Furanharz,wie in
Beispiel 2 beschrieben, getränkt und dann in der vorerwähnten
Weise unter den gleichen Bedingungen karbonisiert. Nach 8-maliger Wiederholung der Verdichtung wurde
das Graphitteil entfernt. Man erhielt ein Verbundmaterial,
das gleichmässig und rissfrei war und eine Dichte von 1,60 g/cm3 hatte.
Ein Graphitprisma (110 mm χ 60 mm χ 75 mm) mit einer
Dichte von 1,75 g/cm3 wurde als Kernmaterial (Spindel) verwendet.
Ein 4-Harness-Satin-Gewebe (200 g/cm3), hergestellt
unter Verwendung von Köhlenstoffaserbündeln (3000 Fäden),
wurde zu einem 75 mm breiten Band geschnitten. Das Band wurde mit einer 70 Gew.%-igen methanolischen Lösung
eines Phenolharzes (Sumilite Resin PR-50273) in einer Menge von 250 g/cm2 beschichtet und nach Entfernung
des Lösungsmittels 2 Stunden auf 600C erwärmt
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und dann auf" das Kernmaterial aufgewickelt, wobei die obere und die Bodenoberfläche unbedeckt blieben
(110 mm χ 60 mm).und 1 Stunde auf 700C unter Härtung
des Phenolharzes erhitzt. Man erhielt einen prismatischen Formkörper von 130 mm χ 80 mm χ 75 mm.
Der so erhaltene Formkörper wurde in einer Rate von 40°C/Stunde auf 10000C in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt
und unter Aufrechterhaltung dieser Temperatur wurde die Matrix karbonisiert. Man erhielt ein Verbundmaterial
mit einem zweischichtigen Aufbau. Der Kern des Verbundmaterials wurde bearbeitet, unter Erhalt
einer 5 mm dicken unverstärkten Schicht, um einen kubischen Formkörper, wie in Fig. 3 beschrieben, herzustellen.
Zum Vergleich wurde ein kohlenstoffaserverstärktes Kohlenstoffmaterial, ein Material aus rostfreiem Stahl
(SÜS 304) und ein Graphitmaterial einer Dichte von 1/75 g/cm3 jeweils zur Herstellung eines Formkörpers
der gleichen Form wie der vorerwähnte kubische Formkörper,
verwendet.
Die so erhaltenen Formkörper wurden jeweils als Matrize
verwendet und zwischen zwei Matrizen aus rostfreiem Stahl (SUS 304) 100 aus 0,02 mm dicken Kohlenstofffaserblättern, die mit Aluminium durch Ionenplattierung
beschichtet sind, aufeinandergelegt und in einer Matrize horizontal eingebracht und dann 1 Stunde bei
-4 5700C erhitzt und dann in einem Vakuum von 10 Torr
Druck und mit einer Druckkraft von 350 bar (kg/cm2) heissverpresst, unter Erhalt einer kohlenstoffaserverstärkten
Aluminiumplatte.
- 27 -
3131053'
Bei der erfindungsgemäss hergestellten Form wurden
keine Schäden beobachtet, auch nachdem das Formgebungsverfahren 20 mal wiederholt worden war.
Bei einer Form, die unter Anwendung von kohienstofffaserverstärktem
Kohlenstoffverbundmaterial hergestellt worden war, trat dagegen Aluminium in die Hohlräume
der Form ein und ein verformtes Produkt konnte nicht
daraus entfernt werden. Eine Form die unter Verwendung von Graphitmaterial hergestellt worden war brach bei
Anlegung von Druck zusammen und bei einer unter Verwendung von rostfreiem Stahl verwendeten Form war ein
Zusammenbruch festzustellen, nachdem das Verformungsverfahren nur 4 mal wiederholt worden war.
Ein zylindrisches Graphitmaterial (Dichte 1,75 g/cm3)
mit einem Aussendurchmesser von 40 mm wurde als Kernmaterial
(Spindel) verwendet.
Kohienstoffaserbündel aus 6000 Fäden wurden mit einer
80 Gew.%-igen methanolischen Lösung eines Phenolharzes (Sumilite Resin PR-50273) imprägniert und auf
das .Kernmaterial nach einem Fadenaufwicklungsverfahren
aufgewickelt, unter Erhalt einer Form mit einem Aussendurchmesser von 70 mm.
30
30
Die so erhaltene Form wurde 1 Stunde bei 1700C gehärtet, 8 Stunden bei 2500C nachgehärtet und dann mit
- 28 -
-=-3131053
einer Rate von 50°C/Stunde in einer Stickstoffatmosphäre
auf TOOO0C erwärmt und bei dieser Temperatur 1 Stunde
unter Karbonisierung des Matrixharzes, gehalten. Der Fasergehalt
(bezogen auf das Volumen) der Aussenschicht betrug 55 %.
In das Zentrum des Graphit-Kernmaterials wurde ein Loch gebohrt, wobei man ein Verbundmaterial erhielt mit
einem zweischichtigen Aufbau aus einer inneren Graphitschicht
und einer äusseren Schicht aus einem kohlenstoff aserverstarkten Kohlenstoffmaterial mit einem
Innendurchmesser von 30 mm und einem Aussendurchmesser
von 50 mm. "
Claims (15)
1. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffaserverstärkten
KohlenstoffVerbundmaterials, dadurch gekennzeichnet, dass man
(1) ein aufgewickeltes Laminat aus Kohlenstof
fasern, die mit einem hitzhärtbaren Harz imprägniert sind, auf einer Spindel (Kern) aus einer Substanz,
die nicht mit dem Kohlenstoff unter vorgewählten Karbonisierungsbedingungen reagiert und einen
linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von T χ 1 θ" /0C oder weniger und einen Schmelzpunkt aufweist,
der höher ist als die Karbonisierungstemperatur unter den vorgewählten Karbonisierungsbedingungen
herstellt,
(2) dass man das hitzhärtbare Harz härtet, und -
(3) dass man die Karbonisierung unter den vorgewählten
Karbonisierungsbedingungen durchführt und dabei das aufgewickelte Laminat auf der Spindel lässt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch g e k en η zeichnet,
dass man das aufgewickelte Laminat herstellt, indem man mit dem hitzehärtbaren Harz imprägnierte
Kohlenstoffasern auf die Spindel aufwickelt.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch g e k e η η -
. zeichnet, dass man das aufgewickelte Laminat herstellt, indem man Kohlenstoffasern auf die Spindel
aufwickelt und dann die Kohlenstoffasern mit dem hitzehärtbaren Harz imprägniert.
4. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hitzehärtbare Harz ein
Furanharz, ein phenolisches Harz, ein Polyimid"und/ oder ein Epoxyharz ist.
5. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffasergehalt des
KohlenstoffVerbundmaterials so eingestellt wird, dass es 20 bis 80 Vol.% beträgt.
6. Verfahren gemäss Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, dass die Karbonisierung bei einer
Temperatur von 500 bis 15000C in einer Stickstoff-
oder Argonatmosphäre durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Karboniserung durchgeführt
• » ΰ βα β · λ· ι* ο «
3T31059-
wird, indem man die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500 bis 15000C in einer Stickstoff- oder
Argonatmosphäre vornimmt und anschliessend eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 2000°C oder mehr
vornimmt und eine Spindel verwendet, deren Schmelzpunkt
höher als die Temperatur der Wärmebehandlung bei 20000C oder mehr ist.
8, Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet,
dass die Spindel aus einem Kohlenstoff- oder keramischen Material hergestellt worden
ist.
9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet,
dass das keramische Material
hauptsächlich aus Berylliumoxid, Zirkoniumoxid, Borkarbid, Siliziumkarbid, Tantalkarbid, Titankarbid,
Wolframkarbid, Zirkonkarbid oder Siliziumnitrid'besteht.
20
20
10. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel nach dem Karbonisieren
entfernt wird.
11. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel aus einem kohlenstoffhaltigen
Material besteht und dass man nach der Karbonisierung die Spindel belässt oder entfernt
und einen Teil davon beibehält, unter Ausbildung eines KohlenstoffVerbundmaterials mit zweischichtigem Aufbau.
12. Kohlenstoffasetverbundinaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es nach folgendem Verfahren erhältlich
ist:
(1) Ausbildung eines aufgewickelten Laminats
aus Kohlenstoffasern, die mit einem hitzehärtbaren Harz imprägniert sind, auf einer Spindel (Kern) auf
einer Substanz, die nicht mit dem Kohlenstoff unter vorgewählten Karbonisierungsbedingungen reagiert und
einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1 χ 10 /°C oder weniger und einen Schmelzpunkt
aufweist, der höher ist als die Karbonisierungstemperatur unter den vorgewählten Karbonisierungsbedingungen,
(2) Härten des hitzehärtbaren Harzes, und
(3) Durchführung der Karbonisierung unter*den vorgewählten Karbonisierungsbedingungen und Belassen
des Laminats auf der Spindel.
13. Kohlenstoffaserverstärktes KohlenstoffVerbundmaterial
gemäss Anspruch 12, dadurch ge kenn ζ eichn
e t , dass die Spindel aus kohlenstoffhaltigem Material hergestellt worden ist.
14. Kohlenstoffaserverstärktes Kohlenstoffverbundmaterial
gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die Spindel aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt worden ist und nach der Karbonisierung
— 5 —
belassen oder entfernt wird, wobei ein Teil davon beibehalten wird unter Ausbildung eines Kohlenstoffverbundmaterials
mit zweischichtigem Aufbau.
15. Kohlenstoffaserverstärktes KohlenstoffVerbundmaterial
gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet
, dass die Spindel nach der Karbonisierung entfernt worden ist.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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