DE3530459A1 - Faserverbundkoerper, insbesondere als warmpressform, sowie herstellungsverfahren hierfuer - Google Patents

Faserverbundkoerper, insbesondere als warmpressform, sowie herstellungsverfahren hierfuer

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DE3530459A1
DE3530459A1 DE19853530459 DE3530459A DE3530459A1 DE 3530459 A1 DE3530459 A1 DE 3530459A1 DE 19853530459 DE19853530459 DE 19853530459 DE 3530459 A DE3530459 A DE 3530459A DE 3530459 A1 DE3530459 A1 DE 3530459A1
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Description

Patentanwälte Di pi.-1 ng. Curt Wallach
Europäische Patentvertreter Dipl.-lng. Θ g 6Φ&4 6® C h
European Patent Attorneys . *J. Dlpl.-Phys. DrTUlO Haibach
Dipl.-lng. Rairvep g<^$tea5np
D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (O 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d
Datum: ? 6. AUG- 1985
Unser Zeichen: 18162 H-/Bu
Fiber Materials, Inc., Biddeford, Maine 04005,
USA
Faserverbundkörper, insbesondere als Warmpreßform, sowie Herstellungsverfahren hierfür
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf faserverstärkte Verbund-Formkörper und insbesondere auf faserverstärkte kohlenstoffhaltige Verbund-Formwerkzeuge zum Warmpressen von Gegenständen aus Pulver.
Bei einem häufig zur Herstellung von Keramikkörpern und Körpern aus ähnlichen Materialien dienenden, als Warmpressen bekannten Verfahren wird ein Keramikpulver in eine Form eingebracht, und das Pulver (zusammen mit der Form) unter gleichzeitiger Anwendung eines hohen gleichförmigen Drucks mittels eines Kolbens oder Preßstempels erhitzt. Soweit hierfür Wärmebehandlungen bei Temperaturen oberhalb 1500 C vorgesehen sind, ist die Zahl der verfügbaren Werkstoffe für das Formwerkzeug äußerst begrenzt. Metalle schmelzen bei derartigen Temperaturen oder werden plastisch und können außerdem in beträchtlichem Maß zu Reaktionen mit dem Keramikmaterial neigen. Daher bildet Graphit ein bevorzugtes Material zur Verwendung als Warmpreß-Form bei hohen Temperaturen, da es verhältnismäßig einfach zu bear-
beiten ist, bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit behält und außerdem gegenüber dem Keramikmaterial relativ chemisch inert ist. Graphitformen zur Herstellung von Formkörpern durch Warmpressen werden daher typischerweise entweder aus einem hochfesten Graphit oder aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoffaser-Verbundkörper hergestellt.
Hochfester Graphit ist zwar anfänglich an sich billiger als ein Verbundkörper, jedoch ist seine Lebensdauer (Standzeit) bei zyklischer Anwendung in Warmpreßverfahren kurz. Je nach dem angewandten maximalen Druck sind feste Graphitformen typischerweise bis zu etwa zehn Warmpreßzyklen verwendungsfähig. Ein Ausfall der Form hat einen Verlust an dem zu formenden Material, an Fabrikationszeit sowie an Kosten und Zeitaufwand für die Auswechslung der Form zur Folge.
Gemäß der US-Patentschrift 3,550,213 können Kohlenstoff-Kohlenstoff aser- Formen hergestellt werden, indem man ein mit Graphitgarn oder Kohlenstoffaser verstärktes Bandoder Folienmaterial um einen Graphit-Kern bzw. -dorn wickelt. Die Außenoberfläche des bewickelten Kerns wird mit Harz imprägniert und durch Erhitzen graphitiert. Der Dorn oder Kern kann dann ausgespant werden. Alternativ kann man gemäß US-Patentschrift 4,318,948 Kohlenstoffasern um einen kohlenstoffaserverstärkten Kern wickeln und die Fasern dann durch Dampfabscheidung von Kohlenstoff auf die Fasern mit dem Kern verbinden. Die Faserumwicklung ist jedoch gewöhnlicherweise nicht ausreichend dicht, um das Verfahren für die Herstellung von Warmpreßformen verwendbar zu machen.
Ein Kohlenstoff-Kohlenstoffaser-Verbundkörper, wie er beispielsweise nach der vorstehend erwähnten US-Patent-
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J.
schrift 3 550 213 erhalten wird, kann zum Warmpressen als ein Mantelstück verwendet werden, in das eine Graphitauskleidung als die eigentliche Kontaktoberfläche gegenüber der Keramik und dem Preßkolben eingesetzt werden muß. Eine derartige zweistückige (aus Auskleidung und Mantelstück bestehende) Kohlenstoff-Kohlenstoffaser-Verbundform kann eine Standfestigkeit von bis zu mehreren Hundert Warmpreßzyklen besitzen, ist jedoch aus mehreren Gründen teuer und aufwendig. Das Material für den Graphitdorn ist von Haus aus teuer und erfordert viele Stunden Bearbeitungszeit. Dieser Dorn ist insofern verlustreich, da er während der Behandlungsvorgänge herausgearbeitet werden muß, obwohl er nachher durch eine Graphitauskleidung ersetzt wird. Die bei der Herstellung der Form verwendete Menge an teuerem Graphit- oder Kohlenstoffasermaterial geht weit über das hinaus, was abschließend in der Form selbst als Material verbleibt. Typischerweise sind sowohl an der Innen- wie an der Außendurchmesserseite der Form Überschußmaterialstärken von 0,3 bis 0,5 Zoll erforderlich, für die abschließende Bearbeitung auf die endgültigen Abmessungen. Außerdem wird die Kohlenstoffaser oder das Kohlenstoffgarn üblicherweise unter einem Winkel von 86 bezüglich der Formachse auf den Dorn gewickelt, zur Bildung eines Kreuz-Wickelmusters, das der Form ihre Axialfestigkeit verleiht. Dieses 86 -Wickelmuster führt jedoch zu einem unerwünschten Materialauftrag von bis zu 3 bis 6 Zoll an den beiden Enden der Form, der dann bei der Endbearbeitung abgeschnitten werden muß.
Die Formgebungsbearbeitung der Kohlenstoff-Kohlenstoffaser-Verbundformen ist kompliziert und zeitaufwendig. In einer aus gewickelten Fasern hergestellten Form ist eine Rotationsbearbeitung kritisch. Falls die Form so rotiert, daß die Faserachsen nicht in der richtigen Ausrichtung ./.
bezüglich der Spanfläche des Schneidwerkzeugs liegen, kann es zu einem Zusammenbauen bzw. Aufstellen der Fasern und ihrer Abwicklung kommen. Selbst bei richtiger Einstellung der Bearbeitung kann das gleiche Problem auftreten, falls eine zu hohe Schneidtiefe des Bearbeitungswerkzeugs angewandt wird.
Schließlich kann es, falls der Preßkolben gegen die Fasern in der Formstirnseite anschlägt, dahin kommen, daß der Kolben Oberflächenfasern herausreißt. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, wird üblicherweise eine Graphitauskleidung als Einsatz in dem Mantel aus gewickelter Faser verwendet, um die Faserstirnseiten zu schützen. Die Graphitauskleidung hat jedoch üblicherweise einen von dem Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundmantel verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zur Kompensation bezüglich dieser unterschiedlichen Wärmeausdehnung muß ein Spalt bzw. Abstand zwischen dem Mantel und der Auskleidung gelassen werden. Dieser Spalt ist so berechnet, daß bei Erhitzung auf eine Temperatur gerade unterhalb der Preßtemperatur die Graphitauskleidung sich so ausdehnt, daß sie gerade engsitzend in den Kohlenstoff-Kohlenstofffaserverbundmantel paßt. Ist dieser Ausdehnungsspalt zu klein bemessen, so führt die zu der Preßkraft hinzutretende Wärmeausdehnung der Graphitauskleidung zu einer permanenten Verformung der Form. Bei zu großer Bemessung des Ausdehnungsspalts bleibt die Graphitauskleidung unabgestützt und die Auskleidung neigt zum Reißen oder Brechen unter dem Preßkolbendruck .
Der Erfindung liegt daher als Aufgabe allgemein die Schaffung eines faserverstärkten Formkörpers zugrunde, der sich insbesondere zur Verwendung als Formwerkzeug für das Warmpreßverfahren, insbesondere als kohlenstoffhaltige Form zum Warmpressen von Pulvern, eignet und bei dem die vorstehend er-
~ .C —
M-
läuterten Probleme des bekannten Stands der Technik vermieden werden. Des weiteren soll durch die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger insbesondere als Form für das Warmpreßverfahren geeigneter faserverstärkter Formkörper geschaffen werden.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung allgemein einen Faserverbundkörper vor, der einen ersten Volumenbereich aus regellos-zufällig orientierten und in einem Matrixmaterial eingebetteten Faserabschnitten (Faserschnitzeln) umfaßt, sowie einen mit diesem ersten Volumenbereich einstückig verbundenen zweiten Volumenbereich aus einer oder mehreren Schichten von in das gleiche Matrixmaterial eingebetteten im wesentlichen kontinuierlichen Fasern, wobei vorzugsweise das (gemeinsame) Matrixmaterial Graphit ist. Verfahrensmäßig sieht die Erfindung die Herstellung derartiger Formkörper aus einem verdichteten Graphit-Matrix-Material vor, in welches GraphitfaserverStärkungsmaterial eingebettet ist.
Näherhin sieht die Erfindung allgemein .einen insbesondere zur Verwendung als Warmpreßform geeigneten einstückigen verdichteten Kohlenstoff-Kohlenstoffaser-Verbundkörper vor, der einen ersten oder inneren Volumenbereich aus im wesentlichen regellos zufällig orientierten, in einer Kohlenstoffmatrix verteilten Kohlenstof fasern aufweist, sowie einen zweiten oder äußeren Volumenbereich aus einer Kohlenstoffaserwicklung in der gleichen oder einer ähnlichen Kohlenstoffmatrix. Die Bezeichnung "Kohlenstoff" soll hierbei, wo dies der Zusammenhang gestattet, Graphit umfassen. In einem derartigen erfindungsgemäßen verdichteten Körper trägt eine im wesentlichen gemeinsame Graphitmatrix einstückig sowohl den ersten als auch den zweiten Volumenbereich, die somit im wesentlichen die gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Der erste oder innere Volumenbereich ist leicht bearbeitbar, während
der zweite eine hohe Festigkeit besitzt. Das Verfahren der Herstellung der beiden Volumenbereiche als einstückige Einheit sieht vor, daß man zunächst einen Dorn oder Kern als Formauskleidung durch Gießen eines Gemischs aus Harz und Kohlenstoffaserabschnitten (Kohlenstoffaserschnitzeln) in die gewünschte Form herstellt, diese Auskleidung sodann mit Kohlenstoffasern oder Garnen bewickelt, die Faserwicklungen mit einem karbonisierbaren Bindemittel imprägniert und das gesamte Gebilde sodann zur Graphitierung und Verdichtung der Auskleidung und der Wicklung als einheitlicher einstückiger Körper erhitzt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen
Fig. 1 einen Dorn gemäß einer Ausführungs
form der Erfindung, aus zufälligregellos orientierten Kohlenstofffasern in einer Kohlenstoffmatrix,
Fig. 2 in geschnittener perspektivischer
Ansicht eine Form gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor der formgebenden Bearbeitung für die endgültige Innenkonfiguration der Form.
Zum Aufbau des einstückigen Körpers gemäß der Erfindung wird zunächst ein hohler Verbundgießkörper aus in einem Matrixmaterial i η regelloser Zufallsausrichtung verteilten Verstärkungsfaser-Schnitzeln geformt. Die Bezeichnung "Faser" wird hier so gebraucht, daß sie, sofern der Zusammenhang es gestattet, sowohl Fäden, Garne, Fasern im engeren Sinn und dergleichen umfaßt. In einer als Warmpreßform geeigneten Ausführung des einstückigen Gesamtkörpers soll der Gießkörper zunächst anfangs als Dorn, auf welchen Kohlenstoffasern aufgewickelt werden, und abschließend als das erste Volumen der Form selbst dienen. Zur Herstellung eines Gießkörpers der bei 20 in Fig. 1 gezeigten Art für eine Warmpreßform werden Kohlenstoff- oder Graphit-Verstärkungsfasern zerhackt, typischerweise auf Längen von 7/16 Zoll, und Wasser zur
bz-w· eines Breis _ .„ . . . n Erzeugung einer Suspension/zugegeben. Das Matrixmaterial für die Warmpreßform, bei dem es sich vorzugsweise um ein karbonisierbares Harz handelt, kann, braucht jedoch nicht notwendigerweise, ebenfalls in diesem Verfahrensstadium in
β —
die Suspension eingebracht werden. Der so erhaltene Faserhäckselbrei wird vakuumgegossen, typischerweise in-dem man die Flüssigkeit durch ein in die gewünschte Formgebung vorgeformtes Filtersieb zieht, wobei die regellos-zufällig orientierten Faserhäcksel in einer filzähnlichen Form auf dem Sieb ausgelegt werden. Nach dem Trocknen des Gießkörpers wird das Sieb entfernt, wodurch der Gießkörper als solcher zurückbleibt. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist der Fasergießkörper 20 eine hohle zylindrische Form auf, jedoch können andere Formgebungen, wie beispielsweise Kegel, Kegelstümpfe oder anderweitige ähnliche Rotationskörperformen, je nach der gewünschten Anwendung, in einfacher Weise gegossen werden.
In diesem Verfahrensstadium besitzt der Fasergießkörper typischerweise eine Dichte von 0,2 g/cm . Der Gießkörper kann so wie er ist verwendet werden oder aber auch zur Erhöhung der Festigkeit teilweise verdichtet werden. Eine derartige partielle Verdichtung erreicht man durch Impregnieren mit Pech oder anderweitigen fließfähigen Graphitvorläufern, mit nachfolgender Karbonisierung in einer inerten Atmosphäre, bei normalem Umgebungsdruck bei einer Temperatur von etwa 800 C. Ein einziger Verdichtungszyklus ergibt ausreichende Festigkeit sogar für eine sehr große Form, derart, daß sie ohne weiteres ohne Verzerrung und Verformung der Umwicklung mit Graphitfasern standhalten kann. Der partiell verdichtete Faser-Gießkörper besitzt eine ausreichende offene Porosität, um während der nachfolgenden Druckimprägnierungsbehandlung die Verteilung eines flüssigen Imprägniermittels in dem Gießkörper zu ermöglichen.
Zur Herstellung des Dorns 24 wird der, in Fig. 1 in zylindrischer Form gezeigte Gießkörper 20 mit ebenen kreis-
β ~
förmigen Graphitstirnplatten 26 und 28 versehen, deren Durchmesser größer als die Kreis-Querschnittsabmessung des Gießkörpers ist. Die Platten werden durch einen Schraubbolzen 30 gegen die Stirnseiten des Gießkörpers 20 gehalten; der Schraubbolzen 30 erstreckt sich etwa durch die Mitte der ersten Graphitplatte 26 axial entlang dem Gießkörper und etwa wiederum durch die Mitte der zweiten Graphitplatte 28. An seinen Enden ist der Schraubbolzen 30 mit Verriegelungsmitteln wie beispielsweise Schraubmuttern 32 versehen, durch welche die Platten 26 und 28 beim festen Anziehen der Muttern auf den Enden des Schraubbolzens 30 fest gegen die betreffenden gegenüberliegenden Enden des Fasergießkörpers gedrückt werden. Der Bolzen 30 dient auch als axiale zusätzliche Halterung und Abstützung während dem Bewickeln des Dorns mit der Graphitfaser. Wenigstens in einer der Stirnplatten sind als Zugang zum Inneren des Dorns 24 eine oder mehrere Öffnungen 34 (beispielsweise von 0,5 Zoll Durchmesser) vorgesehen.
Nunmehr wird Fasermaterial, vorzugsweise in kontinuierlicher Form und aus ähnlichem oder gleichem Material wie die für die Herstellung des Gießkörpers 20 verwendeten Faserschnitzel, in einer oder mehreren Lagen bzw. Schichten 40 um die zylindrische Oberfläche des Dorns 24 gewickelt. Als Fasern werden, insbesondere zur Herstellung einer Warmpreßform für Keramikkörper, vorzugsweise Kohlenstoff- oder Graphitfasern verwendet. Da der Dorn eine beträchtliche vorzugsweise durch Vorverdichtung noch verstärkte, axiale Festigkeit besitzt, kann die kontinuierliche Faser nahezu oder genau unter 90° zur Dornachse aufgewickelt werden. Hierdurch ergibt sich eine weitest) Materialvergeudung an den Enden der Form, wie sie ansonsten auftritt, wenn zur Erzielung axialer Festigkeit die Bewickelung unter dem ./.
) mögliche Verringerung der
üblichen Standardwickelwinkel von 86 erfolgt. Nachdem eine ausreichende Zahl von Lagen 40 auf dem Dorn aufgebaut ist, wird der bewickelte Dorn verdichtet.
Die Verdichtung des bewickelten Dorns sieht die Erzeugung einer Kohlenstoff- oder Graphitmatrix in den Zwischenräumen der die Schichtlagen 40 bildenden Garnfäden vor, sowie in irgendwelchen in dem Fasergießkörper 20 verbliebenen offenen Volumina sowie in jeglichem offenem Volumen zwischen den gewickelten Faserlagen 40 und dem Fasergießkörper 20. Das in Fig. 2 dargestellte voll verdichtete Erzeugnis weist somit eine gemeinsame Graphitmatrix auf, in welcher ein äußeres Volumen aus Faserlagen 40 eingebettet ist, welche um ein inneres Kernvolumen bzw. den mit den regellos-zufällig orientierten Faserabschnitten verstärkten Gießkörper 20 herum gewickelt sind.
Der erste Verfahrensschritt der Verdichtung des Körpers, d.h. der Form, sieht eine Imprägnierung mit einem geeigneten Material aus einer breiten Vielfalt von Kohlenstoff- oder Graphitvorläufermaterialien vor. Ein Phenolharz hoher Verkokungs-Ausbeute oder ein Kohlenteerpech werden als Imprägnierungsfüllmaterialien oder Graphitvorläufer bevorzugt. Andere geeignete Vorläufermaterialien sind isomeres PoIyphenylen, Parapolyphenylen und Polyimide. Auch etwas sehr feines Graphitpulver (beispielsweise von weniger als 20 Mikron Durchmesser) kann in die Vorläufermaterialien eingeschlossen oder mit ihnen vermischt werden.
Gemäß einem geeigneten Verdichtungsverfahren wird der Kohlenstoff- oder Graphitvorläufer durch eine oder mehrere der Öffnungen 34 in der Stirnplatte in den Innenhohlraum des Fasergießkörpers 20 eingeführt, von wo aus der Vorläufer ./.
durch den porösen Körper des Gießkörpers zu dessen Außenoberfläche und von dort in die Zwischenräume zwischen den Garnfäden oder Fasern der Wickellagen 40 verteilt wird. Durch Anlegen eines Vakuums an der Außenseite des Dorns, wird Luft aus den Garn- oder Faserzwischenräumen gezogen und entsprechend das Vorläufermaterial durch die Poren in dem Gießkörper und in die Garnzwischenräume hinein gezogen. Phenolharz hoher Verkokungsausbeute ist bei Zimmertemperatur gewöhnlich flüssig und ohne weiteres als Imprägnierungsmittel fließfähig; Pech hingegen muß zur Verwendung als Imprägnierungsmittel in diesem Verfahren durch Vorbehandlung auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts gebracht werden.
Die Karbonisierung oder Verkohlung als nächster Verfahrensschritt der Verdichtung kann durch einfaches Erhitzen der imprägnierten Wicklung mit Dorn auf eine mäßige Hochtemperatur (800 C) in inerter Atmosphäre für etwa 60 Minuten erfolgen. Hierbei werden die meisten Gase und anderweitigen Nicht-Kohlenstoff-Bestandteile der Imprägnierung abgetrieben. Bei einer alternativen Vorgangsweise, die etwas komplizierter ist, jedoch etwas bessere Ergebnisse liefert, werden die imprägnierten Wicklungen und Dorn mit Druck im Bereich von etwa 500 psi bis zu etwa 15,000 psi beaufschlagt, mit einem inerten Gas wie beispielsweise Stickstoff oder Argon. Dies dient dazu, die Imprägnierung gleichförmiger durch die Zwischenraumvolumina in dem Dorn und in den Wicklungen zu verteilen. Die imprägnierten Wicklungen mit Dorn werden sodann auf etwa 650 C erhitzt und für etwa drei Stunden auf dieser Temperatur gehalten, um die Imprägnierung zu karbonisieren bzw. zu verkohlen. Außer einer besseren Imprägnierung scheint dieses Druckverfahren auch eine Erhöhung der Verkohlungsausbeute des Graphitvorläufer-Imprägnierungsmaterials zu ergeben.
-/It-
Der letzte Verfahrensschritt in der Verdichtung ist die Graphitierung; hierfür werden der karbonisierte Dorn mit Wicklungen auf Temperaturen zwischen etwa 2000 C bis etwa 2550 C erhitzt und etwa 30 Minuten lang bei der gewählten Temperatur in einer inerten Atmosphäre wie beispielsweise Stickstoff, vorzugsweise in einem Induktionsofen, gehalten, zur Umwandlung des Kohlenstoffs in dem Körper zu Graphit.
Nach einem einzigen Graphitierungs-Zyklus können in den Wicklungen noch ungefüllte offene Volumina vorliegen, oder sich in den Wicklungslagen 40 oder dem Gießkörper 20 durch das Graphitierungsverfahren neue Leervolumina gebildet haben. Daher wird der Verdichtungszyklus vorzugsweise mehrere Male wiederholt zur Erzielung der gewünschten Dichte von typischerweise 1,7 g/cm . üblicherweise findet in den typischerweise vier anfänglichen Verdichtungszyklen die Karbonisierung zur Verringerung von Prozeßrisiken bei nur geringer Einbuße an Verdichtungswirkungsgrad bei atmosphärischem Druck statt. In den typischerweise zwei abschließenden Verdichtungszyklen sind die offenen Volumina (Leerräume, Hohlräume) tendenziell wesentlich kleiner, und es ist daher zweckmäßig, unter überdruck zu karbonisieren, um eine weitere Imprägnierung des Körpers zu gewährleisten.
Die Imprägnierungsmaterialien können auch zwischen den einzelnen Zyklen variiert werden. So ist Pech zwar allgemein wegen seiner hohen Verkohlungsausbeute die primäre Imprägnierungssubstanz, jedoch kann es erwünscht sein, für den letzten oder die beiden letzten Verdichtungszyklen ein flüssiges Harz zu verwenden. Ein derartiges Harz hat eine niedrigere Viskosität als das Pech und dringt daher wesentlich gründlicher in die engen Kanäle ein, mit dem Ergebnis einer höheren Gesamtdichte.
Nach Abschluß der Verdichtungszyklen weist das so erhaltene als Form geeignete verdichtete Produkt gemäß Fig. 2 einen Innenkern 20 aus Graphit mit darin regellos-zufällig orientierten Graphit-Verstärkungsfaserschnitzeln auf, wobei der Core 20 einstückig mit einer Schale bzw. einem Mantel 40 aus Schichten von in der gleichen Graphitmatrix wie der Core eingebetteten Graphitfäden umgeben ist. Die Fasern des inneren Kerns und die Graphitfädenwicklungen weisen, da sie in einem gemeinsamem Matrixmaterial eingebettet sind und vorzugsweise aus dem gleichen Fasermaterial erzeugt wurden, gleiche oder weitgehend ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Es ist daher kein Ausdehnungsspalt bzw. -abstand zwischen ihnen erforderlich und man erhält eine einstückige Form. Der Innenkern der Form ist, da er leicht und einfach zu bearbeiten ist, besonders als Formwerkzeug geeignet. Es sei darauf hingewiesen, daß das Verfahren gemäß der Erfindung nicht auf die Herstellung von Warmoder Heißpreßformen beschränkt ist, sondern zur Herstellung einer Vielzahl anderer Erzeugnisse dienen kann. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Herstellung von Erzeugnissen für Anwendungsumgebungen mit hohen Temperaturen und Drucken dienen, wie Rohrleitungen, Trag- und Stützkonstruktionen, Außenteilen von Raumfahrzeugen, die den erhöhten Beanspruchungen beim Wiedereintritt in die Atmosphäre ausgesetzt sind, und dergleichen. Des weiteren ist allgemein das erfindungsgemäße Verfahren auf jedes beliebige Fasermaterial (beispielsweise organische, keramische, Metallfasern) und beliebige anderweitige Stützmatrixmaterialien, soweit sie fließfähig und anschließend verfestigbar sind, anwendbar und es eignet sich insbesondere zur Anwendung in Fällen, wo die Faser Anisotropie der Wärmeausdehnung zeigt, wie Graphit.
-H-
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, die jedoch in mannigfacher Weise abgewandelt werden können, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims (20)

Patentansprüche
1. Faserverbundkörper,
gekennzeichnet
durch die Kombination aus
- einem ersten Volumenbereich (20) aus regellos-zufällig orientierten und in ein Matrixmaterial eingebetteten Faserabschnitten sowie
- einem einstückig mit dem ersten Volumenbereich (20) verbundenen zweiten Volumenbereich (40) aus einer oder mehreren Lage(n) von in das gleiche Matrixmaterial eingebettetem, im wesentlichen kontinuierlichem, Fasermaterial,
- wobei der Verbundkörper im wesentlichen keine Leerräume in dem ersten und dem zweiten Volumenbereich aufweist.
2. Faserverbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial Graphit ist.
3. Faserverbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Faser eine Graphitfaser ist.
4. Faserverbundkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß der erste Volumenbereich (20) innerhalb des zweiten Volumenbereichs (40) liegt und von diesem im wesentlichen umgeben ist.
5. Faserverbundkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet , daß der erste Volumenbereich (20) ein Hohlzylinder ist.
6. Faserverbundkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß der erste Volumenbereich (20) eine Vielzahl von in eine Graphitmatrix eingebetteten Graphitfaserabschnitten (Faserschnitzeln), und daß der zweite Volumenbereich (40) mehrere Lagen aus in die genannte Matrix eingebetteter im wesentlicher kontinuierlicher Graphitfaser, aufweist.
7. Faserverbundkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in Ausbildung als Warmpreß-Form, gekennze ichnet
durch
- eine gemeinsame Graphit-Matrix,
- einen rotationssymmetrischen hohlen Innenkörper (20) in Form eines Verbundkörpers aus in der Matrix regellos-zufällig orientierten Graphitfaserabschnitten (Faserschnitzeln), sowie
- einen mit dem Innenkörper einstückigen äußeren Mantel
(40) aus mehreren um den Innenkörper gewickelten Lagen von in die gleiche Matrix eingebetteter im wesentlichen kontinuierlicher Graphitfaser.
8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch die folgenden Verfahrensschritte
- Herstellen eines Verbundkörpers aus Faserabschnitten
(Faserschnitzeln) in einer Matrix aus verfestigtem Material,
- Bildung wenigstens einer Lage oder Schicht aus konti- ·/· nuierlichem Fasermaterial auf dem Verbund-Gießkörper,
- Imprägnieren der Zwischen- oder Hohlräume in der Lagenschicht mit einer verfestigbaren Flüssigkeit, sowie
- Verfestigung der flüssigen Imprägnierung in der Lagenschicht zur Bildung einer einstückigen Einheit aus dem Körper und der Schichtlage.
9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt des Herstellens des Verbundkörpers die folgenden Verfahrenssehritte umfaßt:
- Bildung eines Gießkörpers aus den Faserabschnitten (FaserschnitzeIn)
- Imprägnieren der Zwischenräume in dem Gießkörper mit einer verfestigbaren Flüssigkeit, sowie
- Verfestigung der Imprägnierungsflüssigkeit in den Zwischenräumen zur Bildung des Verbundkörpers.
10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt der Bildung des Gießkörpers die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
- Bildung eines Breis oder einer Suspension der Faserabschnitte (Faserschnitzel) in einer Trägerflüssigkeit,
- Auftragen des Breis auf ein Sieb und Abziehen der Trägerflüssigkeit, zur Bildung des Gießkörpers aus den Faserabschnitten (Faserschnitzel) auf dem Sieb, sowie
- Entfernen des Siebs von dem Gießkörper.
11. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet ,
U-
daß die Faserabschnitte (Faserschnitzel) und das kontinuierliche Fasermaterial Kohlenstoffasern sind, und daß die verfestigbare Flüssigkeit ein durch Erhitzen in Graphit umwandelbares Graphitvorläufermaterial ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet , daß als Graphitvorläufermaterial Kohlenteerpech verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet , daß als Graphitvorläufermaterial ein Kunstharzmaterial verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet , daß ein Kunstharz aus der Gruppe Phenolharze, Polyphenylene und Polyimide verwendet wird.
15. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Verfahrensschritt der Verfestigung des Graphitvorläufermaterials die folgenden Schritte umfaßt:
- Karbonisieren des Vorläufermaterials durch Erhitzen in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre auf eine erste Temperatur, die wenigstens ausreicht, um das Vorläufermaterial in Kohlenstoff umzuwandeln,
- Aufrechterhalten dieser ersten Temperatur, bis das Graphitvorläufermaterial im wesentlichen in Kohlenstoff umgewandelt ist,
- Graphitieren des Kohlenstoffs durch Erhitzen in einer
nicht-oxidierenden Atmosphäre auf eine zweite Temperatur, welche oberhalb der Temperatur liegt, bei welcher der Kohlenstoff in Graphit umgewandelt wird und unterhalb derjenigen Temperatur, bei welcher Graphit beeinträchtigt wird,
- Aufrechterhalten dieser zweiten Temperatur bis der Kohlenstoff im wesentlichen in Graphit umgewandelt ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet , daß die erste Temperatur im Bereich zwischen etwa 200 C
und etwa 800°C liegt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet ,
daß die zweite Temperatur im Bereich zwischen etwa 1400°c und etwa 2550°C liegt.
18. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 17, gekennzeichnet ,
durch eine Verdichtungsbehandlung des Körpers.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet , daß
- die Faserabschnitte (Faserschnitzel) und das kontinuierliche Fasermaterial Kohlenstoffaser sind und die verfestigbare Flüssigkeit ein durch Erhitzen in Graphit umwandelbares Graphitvorläufermaterial ist, und
- daß zur Verdichtung der Gießkörper (20) und die Lageschicht (40) mehreren Verfahrenszyklen unterworfen werden, die jeweils umfassen ·/·
. 6-
- Einströmen des Graphitvorläufermaterials in die inneren Zwischen- und Leerräume des Gießkörpers (20) und der Lagenschicht (40)
- Karbonisieren des Vorläufermaterials in den Zwischenräumen durch Erhitzen während eines vorgegebenen ersten Zeitintervalls in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre auf eine erste Temperatur, die wenigstens ausreicht, um das Vorläufermaterial in Kohlenstoff umzuwandeln, sowie
- Graphitieren des Kohlenstoffs durch Erhitzen in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre während eines zweiten Zeitintervalls auf eine zweite Temperatur in dem Bereich, bei welchem der Kohlenstoff zu Graphit umgewandelt wird, bis die Dichte des Formkörpers einen gewünschten Wert erreicht hat.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet , daß die Karbonisierung unter Druck von der nicht-oxidierenden Atomsphäre erfolgt.
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