DE3537844A1 - Kohlefaser-gewebeband und verfahren fuer seine verarbeitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kohlefaser-Gewebe­ band nach Art des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 sowie auf ein Verfahren für seine Verarbeitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.

In der Luft- und Raumfahrt tritt häufig das Problem auf, daß Körperoberflächen gleichzeitig hohen Tempera­ turen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind. Beispiele hierfür sind Triebwerke aller Art aber auch Raumflugkörper beim Wiedereintritt in die Erd­ atmosphäre. Falls sich die thermische und strömungsme­ chanische Beanspruchung über einen längeren Zeitraum erstreckt oder in zeitlichen Abständen mehrfach auf­ tritt, wird die davon betroffene Körperoberfläche i. a. so ausgeführt und geschützt, daß sie keine oder nur sehr langsam fortschreitende Schädigungen erfährt. Dü­ sen für Raketentriebwerke mit langer Brenndauer bei­ spielsweise werden in der Regel flüssigkeitsgekühlt und aus hochschmelzenden, meist metallischen Werkstoffen hergestellt. Falls die Beanspruchung nur kurzzeitig er­ folgt, wie beispielsweise bei Raketendüsen mit kurzer Brenndauer, kann auch eine stärkere thermische und mechanische Schädigung (Abbrand, Erosion) in Kauf ge­ nommen werden. Für solche Fälle bietet sich die Verwen­ dung faserverstärkter Kunststoffe an und zwar aufgrund ihres günstigen Festigkeits-/Gewichtsverhältnisses und aufgrund ihrer einfachen und preiswerten Herstellung. Eine dabei bis vor kurzem übliche Werkstoffkombination war Phenolharz-Asbestfaser, wobei jedoch Asbest auf­ grund seiner gesundheitsschädigenden Eigenschaften künftig nicht mehr verwendet werden soll. Als brauch­ barer Ersatzwerkstoff hat sich aufgrund ihrer guten mechanischen und thermischen Eigenschaften inzwischen die Kohlefaser erwiesen. Stellt man nun beispielsweise einen Düsenkörper aus Kohlefasergewebe und Phenolharz im Auflegeverfahren auf einer Negativform in bei ande­ ren Bauteilen üblicher Weise so her, daß die Gewebe­ schichten parallel zur Oberfläche der Negativform (Strömungskontur) liegen, so ist im Betrieb damit zu rechnen, daß infolge der thermischen Schädigung und der mechanischen Beanspruchung ganze Gewebelagen delaminie­ ren und ausgeblasen werden, was sehr schnell zur Zer­ störung der Düse führen kann.

Aus der DE-AS 12 03 646 ist eine geschichtete, faser­ verstärkte Kunststoffwandung für Flugkörper, Raketenan­ triebe und dgl. bekannt, welche derartige Verschleiß­ vorgänge weitgehend vermeidet. Dabei wird ein harzge­ tränkter Glasfaser-Gewebestreifen schraubenlinienförmig so auf eine Negativform gewickelt, daß die Streifen­ querschnitte sich dachziegelartig überlappen und in einem Winkel von ca. 20° zur Strömungsrichtung stehen, wobei die stromabwärtsgerichteten Kanten der Gewebe­ streifen die Strömungskontur bilden. Das Ausblasen gan­ zer Gewebelagen wird dadurch zwar sicher verhindert, aber es können aus den die Strömungskontur bildenden Gewebestreifenkanten immer noch quer zur Strömung an­ geordnete Gewebefäden herausgelöst werden, wodurch der Verschleiß zwar langsamer, aber dennoch stetig fort­ schreitet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gewebeband sowie ein Verfahren für seine Verarbei­ tung bereitzustellen im Hinblick auf eine weitere, deutliche Erhöhung der Bauteilgebrauchsdauer.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Haupt­ anspruch 1 sowie die im Nebenanspruch 2 gekennzeichne­ ten Merkmale gelöst.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß das Verfahren nach Anspruch 2 sich nicht nur zum Wickeln rotationssymmetrischer Bauteile eignet, sondern auch zur Herstellung plattenföriger Bauteile durch Aneinan­ derreihen einzelner Gewebebandstreifen, also beispiels­ weise zur Fertigung von Verstelldüsensegmenten, Strö­ mungsleitprofilen oder Hitzeschildkacheln.

Die Unteransprüche 3 und 4 beinhalten bevorzugte Aus­ führungsarten des Verfahrens nach Anspruch 2.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der den Zeich­ nungen entnehmbaren Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des erfin­ dungsgemäßen Kohlefaser-Gewebebandes,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers mit Negativ­ form (Kern),

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Düsenbereich eines Feststoff-Raketentriebwerkes.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Schußfäden 3 des Kohlefaser-Gewebebandes 1 als U-förmige Einzelfäden quer in die - in Bandlängsrichtung 4 verlaufenden - Kettfäden 2 eingewebt. Dabei versteht es sich, daß je nach Webart (Leinen, Köper etc.) die Schußfäden 3 an den Kreuzungspunkten mit den Kettfäden 2 nach einem festen Muster oberhalb oder unterhalb der Kettfäden liegen. Durch die weit überstehenden freien Enden der Schußfäden 3 ist die Breite 5 des Bandgewebes wesent­ lich kleiner als die Gesamtbreite des Kohlefaser-Gewe­ bebandes 1. Bei Gewebebändern gemäß dem Stand der Tech­ nik dagegen ist es üblich, einen durchlaufenden Schuß­ faden mäanderfömig mit den Kettfäden zu verweben, wobei die Gewebebreite der Bandbreite entspricht.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, weshalb die spezielle Struktur des Kohlefaser-Gewebebandes 1 die Bauteilhalt­ barkeit positiv beeinflußt. Für die Herstellung eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers 12 wird ein Kern 8 vom Einlaufbereich 10 über den Hauptbereich 9 bis zum Auslaufbereich 11 in Strömungsrichtung 6 schraubenli­ nienförmig mit dem Kohlefaser-Gewebeband 1 überzogen. Dabei ist die Außenseite des Kerns 8, welche die Strö­ mungskontur 7 formt, mit einem Trennmittel beschichtet, das Kohlefaser-Gewebeband 1 wird vor oder während des Auftragens mit der - nicht dargestellten - Matrix (z.B. Phenolharz) getränkt. Der Einlaufbereich 10 dient dazu, von der zur Strömungskontur parallelen Lage der Band­ querschnitte in den ersten Wicklungen zu der gewünsch­ ten, dachziegelartigen Schräglage im Hauptbereich 9 zu gelangen. Der Auslaufbereich 11 dient als Auflage für die überstehenden, nicht benötigten Schußfäden 3 der letzten Wicklungen des Kohlefaser-Gewebebandes 1. Im Hauptbereich 9 ist deutlich zu erkennen, daß die Strö­ mungskontur 7 - abgesehen von der Matrix - ausschließ­ lich von den im spitzen Winkel zu ihr angeordneten Schußfäden 3 gebildet wird. Die Schußfäden 3 verdecken die Kettfäden 2 und schützen diese vor thermischen und strömungsmechanischen Angriffen. Im Betrieb verbrennt zwar die Matrix im Bereich der Oberfläche (Strömungs­ kontur 7), ihre Rückstände bilden jedoch zusammen mit den sicher in den äußeren Bauteilschichten verankerten Schußfäden 3 eine zuverlässige Schutzschicht für den radial nach außen angrenzenden Werkstoff, wozu auch die strömungsgünstige Anordnung der Schußfäden 3 annähernd in Strömungsrichtung 6 beiträgt. Um die Bauteilfestig­ keit noch zu erhöhen, kann im Hauptbereich 9 auf die Windungen des Kohlefaser-Gewebebandes 1 eine hochfeste Wickelstruktur 13 auf Kohlefaserbasis (Gewebe, Rovings etc.) aufgetragen werden. Nach dem Aushärten des Hohl­ körpers 12 und dem Entfernen des Kernes 8 werden die Überstehenden, nicht zum Bauteil gehörenden Gewebeband­ wicklungen des Ein- und Auslaufbereiches 10 und 11 vom Hauptbereich 9 abgetrennt. Der Einfachheit halber ist in Fig. 2 nur der Aufbau eines kreiszylindrischen Hohl­ körpers gezeigt, wobei auch der Hauptbereich 9 stark verkürzt dargestellt ist. Diese Bauweise eignet sich jedoch insbesondere für die Herstellung des kompletten Düsenkörpers einer Lavaldüse, wobei der Kern 8 im Be­ reich des Düsenhalses (engster Querschnitt) quer zu seiner Achse geteilt sein muß, um ihn aus dem ausgehär­ teten Bauteil entfernen zu können.

Es sei auch darauf hingewiesen, daß entsprechend der thermischen und mechanischen Anforderungen im Bereich der Kettfäden 2 zusätzliche Faserverstärkungen (Rovings etc.) zwischen den Wicklungen des Kohlefaser-Gewebeban­ des 1 eingearbeitet werden können. Dabei ist nur sicherzustellen, daß diese Faserverstärkungen - ebenso wie die Kettfäden 2 - vollständig von den Schußfäden 3 verdeckt werden. Fig. 3 zeigt eine weitere Einsatzmög­ lichkeit des Kohlefaser-Gewebebandes 1, nämlich zur Be­ schichtung der Metallstützstruktur 16 der Düse 15 eines Feststoff-Raketentriebwerkes 14 bekannter Bauart. Bei Triebwerken gemäß dem Stand der Technik ist die Metall­ stützstruktur im Bereich des Düsenhalses mit einem dickwandigen Grafit-Ring verbunden, im konvergierenden und divergierenden Teil ist eine Beschichtung aus Phenolharz/Asbestfaser aufgebracht. Gemäß Fig. 3 be­ steht die Beschichtung 17 der Metallstützstruktur 16 im konvergierenden und divergierenden Teil der Düse 15 aus Wicklungen des Kohlefaser-Gewebebandes 1 in einer mit Fig. 2 vergleichbaren dachziegelartigen Anordnung, wo­ bei das Auftragen auf die Metallstützstruktur 16 jedoch schraubenlinienförmig gegen die Strömungsrichtung er­ folgt, und die Matrix das Gewebeband unlösbar mit der Stützstruktur (Positivform) verklebt. Die übrigen Kon­ struktionsmerkmale des Feststoff-Raketentriebwerks 14 wie z. B. der Grafit-Ring 18, die Anordnung des Brenn­ stoffes 19 etc. wurden unverändert beibehalten, so daß bezüglich Fig. 3 die Erfindung primär in der vorteil­ haften Substitution des gesundheitsschädlichen Werk­ stoffes Asbest zu sehen ist. Wie bereits in der Be­ schreibungeinleitung erwähnt, sind noch zahlreiche wei­ tere Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Gewebeband und das zugehörige Verarbeitungsverfahren gegeben (Hitzeschildkacheln, Verstelldüsensegmente, Strömungsleitprofile etc.), wobei die Bauteilstruktur aber immer auf der gleichen dachziegelartigen Staffe­ lung der Gewebebandquerschnitte mit strömungsseitigen Schußfäden beruht.

Claims (4)

1. Kohlefaser-Gewebeband, bestehend aus Kett- und Schußfäden, zur Herstellung von Schutzschichten für Bauteile bzw. zur Herstellung von Bauteilen, welche einem Medium mit hoher Temperatur und Strömungsge­ schwindigkeit ausgesetzt sind, insbesondere zur Her­ stellung der Düsenauskleidung von Raketentriebwerken mit kurzer Brenndauer, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schußfäden (3) als U-förmige Einzelfäden angeordnet sind, daß ihre geraden Abschnit­ te (U-Schenkel) parallel zueinander und quer zu den - in Bandlängsrichtung (4) verlaufenden - Kettfäden (2) ausgerichtet sind, daß die freien Enden der Schußfäden (3) alle auf der selben Bandseite liegen und daß die freien Enden der Schußfäden aus dem Bandgewebe min­ destens um dessen Breite (5) herausragen.

2. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, welche ganz oder teilweise aus dem Kohlefaser-Gewebeband nach Anspruch 1 und einer geeigneten, insbesondere wärmebe­ ständigen Matrix (z.B. Phenolharz) bestehen, auf einer Negativform (z. B. Kern) oder durch Beschichten einer Positivform (z.B. Stützkörper), dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kohlefaser-Gewebe­ band (1) in an sich bekannter Weise im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung so gelegt wird, daß die auf­ einanderfolgenden Bandquerschnitte in Strömungsrichtung mit dachziegelartiger Überlappung im spitzen Winkel auf die Strömungskontur zulaufen, daß die freien, über­ stehenden Enden der Schußfäden (3) in den Bandquer­ schnitten stromabwärts weisen und zusammen mit der Matrix - unter Abdeckung der jeweils stromabwärts ange­ ordneten Kettfäden (2) - die Strömungskontur bilden, und daß im Falle der Herstellung auf einer Negativform eine nachfolgende Beschichtung durch einen insbesondere mechanisch hochfesten Faserverbundwerkstoff erforder­ lich sein kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2 zur Herstellung eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Hohlkörpers mit innenliegender Strömungskontur auf einem Kern, insbe­ sondere zur Herstellung des Düsenkörpers eines Raketen­ triebwerks, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (8) einen Hauptbereich (9) zur Formung der Strömungskontur (7) des Hohlkörpers (12) sowie in Ver­ längerung der Strömungskontur (7) einen Einlaufbereich (10) und einen Auslaufbereich (11) aufweist, wobei die Länge der beiden letzteren Bereiche (10 und 11) in Strömungsrichtung (6) jeweils etwa der Gesamtbreite des Kohlefaser-Gewebebandes (1) (einschließlich der über­ stehenden Schußfäden) entspricht, daß der Kern (8) vom Einlaufbereich (10) zum Auslaufbereich (11) (in Strö­ mungsrichtung) schraubenlinienförmig mit dem Kohlefa­ ser-Gewebeband (1) überzogen wird, daß im Hauptbereich (9) eine weitere Beschichtung mit einer hochfesten Wickelstruktur (13) auf Kohlefaserbasis (Kohlefaserge­ webe, -rovings etc.) erfolgt, und daß nach dem Aushär­ ten des Bauteils (Hohlkörper 12) und dem Entfernen des Kerns (8) die den Hauptbereich (9) überragenden Gewebe­ bandwicklungen (10 und 11) (Ein- und Auslaufbereich) abgetrennt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 zur Beschichtung einer Positivform, insbesondere zur Beschichtung der Metall­ stützstruktur einer Raketentriebwerksdüse, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlefaser-Gewe­ beband (1) schraubenlinienförmig gegen die Strömungs­ richtung fortschreitend auf die Positivform (Metall­ stützstruktur 16) aufgetragen wird.