DE3210746A1

DE3210746A1 - Verfahren zur herstellung eines faserverstaerkten faserverbundwerkstoffs

Info

Publication number: DE3210746A1
Application number: DE19823210746
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 8000 München Heißler; Wolfgang Dr.rer.nat. 8150 Holzkirchen Scheer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1982-03-24
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1984-02-23
Also published as: DE3210746C2

Description

Verfahren zur Herstellung eines
faserverstarkten Faserverbundwerkstoffes Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes aus Kohlenstofffasern und einer Matrix, die Harz und aromatisches Diamin als Harter enthält.
Faserverstarkte Werkstoffe haben allgemeine Bedeutung erlangt und es wurden bereits zahlreiche Zusammensetzungen für die verschiedensten Anwendungsbereiche entwickelt.
Vielfach werden für das Matrixmaterial Epoxidharze verwendet und unter Einbringen von Fasern aus z.B. Bor, Glas und anderen auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt.
Es gibt Anwendungsbereiche wie z.B. hochtourig drehende Körper, insbesondere Wellen und Rotoren, und/oder auf Zug und Druck belastete Gegenstände, bei denen sehr hohe Anforderungen an den Werkstoff gestellt werden, um den auferlegten Zentrifugalkräften bzw. Lasten stand zu halten.
Neben der hohen Festigkeit und Reißlänge sollte das Material ein möglichst geringes spezifisches Gewicht, hohe Steifigkeit und eine Temperaturbeståndigkeit ~ 80 C aufweisen. Diese Eigenschaften konnten mit den bisher bekannten Verbundwerkstoffen jeweils nur zum Teil erreicht werden.
Aus der DE-OS ist ein Verfahren bekannt, mit dem ein kohlenstoffaserverstärkter Werkstoff hergestellt wird, dessen Matrix 4,4'-Diamino-diphenyl-methan und Hexahydrophthalsäure-diglycidylester enthalt. Dieser Werkstoff erfüllt zwar die obigen Eigenschaften mit einer Temperaturbeständigkeit bis etwa 80 C, aber es hat sich herausgestellt, daß das Material für Anwendungen mit hoher Belastung ungeeignet ist, da das Material Kriechneigungen aufzeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff der eingangs genannten Art herzuzstellen, der neben einer sehr hohen Festigkeit und einem geringen spezifischen Gewicht möglichst keine Kriecheigenschaften aufweist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemaß durch ein Verfahren gelöst bei dem für die Matrix 4,4 -Diamino-diphenyl-sulfon als Härter und Bis-phenol-A-diglycidylether als Harz verwendet wird, und daß die Kohlenstoffasern in der Matrix eingebettet werden.
Der durch dieses Verfahren hergestellte Werkstoff weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf. Es hat sich auch herausgestellt, daß der Werkstoff eine Wärmebeständigkeit bis zu 140-C hat und hochvakuumfest ist. Die Matrix besitzt bis mindestens 80 C nur eine sehr geringe Kriechneigung, da der Glasübergang bei ca. 190°C liegt.
Außerdem hat die Matrix eine gute Haftung zur Faseroberfläche, so daß Fasern mit und ohne einer speziellen Oberflachenbehandlung eingesetzt werden können.
Im Handel sind Fasern erhältlich, die sich entweder durch hohe Festigkeit zueit und Reißlängenwerte, oder durch einen hohen Elastizitätsmodul bei geringerer Festigkeit auszeichnen. Mit dem erfindungsgemåßen Matrixmaterial lassen sich beide Fasertypen innerhalb eines einzigen Verbundwerkstoffes verwenden, weil das Matrixmaterial eine ausreichend hohe Bruchdehnung aufweist, um die durch die unterschiedlichen Fasereigenschaften verursachten Eigenspannungen ohne Rißbildung ausgleichen zu können.
Das Matrixmaterial kann vorzugsweise durch Einmischen von pulverförmigem aromatischen Diamin in auf 125'C erhitzten Bis-phenol A-diglycidylether hergestellt werden.
Bei der Herstellung von Werkstoffen und den Faserwickel.
verfahren ist es vorteilhaft, daß #die Kohlenstoffasern durch eine das Matrixmaterial enthaltende Tränkvorrichtung gezogen werden und dann zur Bildung des Werkstoffes auf einen entsprechend geformten und auf einen etwa 85 C vorgeheizten Kern aufgewickelt werden, und daß der so hergestellte Werkstoff einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Es ist vorteilhaft, einen Kern aus Aluminium zu verwenden, der aufgrund seiner hohen Temperaturdehnung nach dem Erkalten stärker als das Verbundbauteil schrumpft und sich ohne weiteres herausziehen läßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Rotationskörpern und/oder Streben, die auf Zug, Druck, Torsion und Biegung belastet werden.
Die ausgezeichneten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Werkstoffes erlauben auch die Anwendung desselben für sehr stark beanspruchte Gegenstande, wobei durch gezielte Faserorientierung richtungsabhängige Steifigkeiten eingebracht werden können.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Beispieles naher erläutert.
Es wird ein zylindrischer Aluminiumdorn oder -kern mit entsprechendem Durchmesser hergestellt, auf einer Wickelmaschine eingespannt und auf 85 C durch Innenheizung erhitzt. Zur Herstellung des Matrixmaterials wird der Bi-phenol A-diglycidylether auf 125*C erhitzt und das als Härter dienende 4.4'-Diamino-diphenyl-sulfon in Pulverform im stöchiometrischen Verhältnis beigemischt.
Diese so erhaltene Matrixmaterialmasse wird in eine Tränkwanne eingefüllt und auf 85 C gehalten. Von Faserspulen werden die Kohlenstoffasern durch die Tränkwanne gezogen und auf den vorgewärmten Kern in einer oder mehreren Lagen zu einem Werkstoff, wie z.B. einem Rohr, aufgewickelt.
Es hat sich gezeigt, daß eine gute Benetzbarkeit zwischen Faser und Matrix besteht, so daß bei diesem Verfahren eine kontinuierlich benetzte Faser gewährleistet ist.
Nach dem Wickel prozeß wird der Werkstoff samt dem Kern einem Hartezyklus unterworfen. Hierfür wird das Gebilde zunächst 6 Stunden auf llO'C, in 3 Stunden auf 160*C erhitzt. Bei dieser Temperatur wird das Bauteil 12 Stunden lang gehalten, um den Aushärtungsprozeß zu vervollständigen.
Aufgrund der stärkeren Wärmedehnung des Aluminiums läßt sich der Dorn bzw. der Kern nach dem Erkalten des Gebildes einfach herausziehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, Hohl- oder andere -körper nach dem erfindungsgernäßen Verfahren herzustellen, und auch solche Körper, bei denen es nicht unbedingt erforderlich ist, den Kern vom Verbund zu trennen. In diesen Fällen wird man die Wahl des Kernmaterials auf den Anwendungsfall richten und/oder so treffen, daß möglichst keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Verbund und Kern bestehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes aus Kohlenstoffasern und einer Matrix, die Harz und aromatisches Diamin als Härter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß für die Matrix 4,4'-Diamino-diphenyl-sulfon -D i und Bisphenol-A-diglycidylether verwendet wird, und daß die Kohlenstoffasern in der Matrix eingebettet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial durch Ein-' mischen von pulverförmigen aromatischem Diamin in auf 125-C erhitzten Bis-phenol-A-diglycidylether hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern durch eine das Matrixmaterial enthaltende Tränkvorrichtung gezogen und auf einen bis auf etwa 85 C vorgeheizten Kern aufgewickelt werden, und daß der so hergestellte Werkstoff einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumkern verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial während des Wickelvorganges auf etwa 85'C gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der fertig gewickelte Werkstoff zur Aushärtung auf Temperaturen zwischen 85 und 160*C erhitzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Härtungsprozeß der Werkstoff ca. 6 Stunden lang auf etwa llO-C, in ca. 3 Stunden auf etwa 160-C und ca. 12 Stunden auf etwa 160*C gehalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern nach dem Erkalten des Bauteiles entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Rotationskörpers.
10. Verfahren nach eine der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines belastbaren Körpers, insbesondere einer Zug-Druck- und/oder Torsionsstrebe.