DE3702936A1 - Faserverbundwerkstoff - Google Patents

Faserverbundwerkstoff

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DE3702936A1 DE19873702936 DE3702936A DE3702936A1 DE 3702936 A1 DE3702936 A1 DE 3702936A1 DE 19873702936 DE19873702936 DE 19873702936 DE 3702936 A DE3702936 A DE 3702936A DE 3702936 A1 DE3702936 A1 DE 3702936A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen Faserverbundwerkstoff, beste­ hend aus einem multidirektionalen Faserlaminat mit in 0°, ±45° und 90° orientierten Fasern.
Faserverbundwerkstoffe finden im Flugzeugbau in zunehmendem Maße Anwendung und bestehen vorwiegend aus hochfesten Ver­ stärkungsfasern, insbesondere aus Kohlenstoffasern. Auf Grund der hohen Anforderungen an die Strukturkomponenten von Flug­ zeugen haben sich Verbundwerkstoffe mit einem multidirek­ tionalen Faseraufbau in Lagen mit in 0°/±45°/90° orientierten Fasern als geeignet erwiesen. Dabei übernehmen die in 0° orientierten die größte und die in 90° orientierten Fasern die kleinste Normalkraft und die in ±45° orientierten Fasern die Schubkräfte. Die Normal- und Schubsteifigkeit ist haupt­ sächlich vom E-Modul der Fasern bestimmt.
Durch den relativ geringen E-Modul, wie ihn z. B. die hoch­ festen Kohlenstoffasern aufweisen, sind beide Steifigkeiten bei Verbunden aus hochfesten Fasern nicht besonders hoch und gegenüber Aluminium-Legierungen kaum von Vorteil.
Bei Verbunden aus hochsteifen Fasern sind wohl die Steifig­ keiten sehr hoch, jedoch ist die Festigkeit sehr gering. Die Anteile der Fasern in der Orientierung 0°/±45°/90° richten sich nach den Belastungen der Strukturkomponenten.
Als typische Faserverbundwerkstoffe mit ungefährem prozen­ tualen Faseranteil gelten die aus folgender Tabelle ersicht­ lichen Laminatfamilien I bis V:
Die meisten Strukturkomponenten von Flugzeugen, insbesondere von Kampfflugzeugen, sind beul-, knick- und flatterkritisch und deshalb auf Steifigkeit ausgelegt. Natürlich sind dabei hohe Festigkeiten ebenfalls gefordert, jedoch meist nur dort, wo konzentriert Kräfte eingeleitet werden (z. B. an Flügelwurzel, Fügestellen bei Rumpfsektionen, Anschluß­ bereiche für Leitwerke). Die kritische Flattergeschwindig­ keit von Trag- und Leitwerken (Flügel, Höhen- und Seiten­ leitwerk) wird neben der Masse und der Massenverteilung hauptsächlich von der Schubfestigkeit bestimmt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen schubsteifen Faserver­ bundwerkstoff zu schaffen, bei dem die Fasern in bevorzugten, die Schubsteifigkeit bestimmenden Faserlagen eine hohe Steifigkeit und die Fasern in den verbleibenden Faserlagen eine hohe Festigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Mischver­ bund aus hochfesten und hochsteifen Fasern entweder eine enorme Steigerung der Schubsteifigkeit oder eine bedeutende Gewichtsreduzierung ermöglicht. Werden bei typischen Faser­ verbundwerkstoffen, wie sie bei Laminatfamilien in der vor­ hergehenden Tabelle aufgeführt sind, die in ±45° orientierten Fasern (Kohlenstoffasern) durch hochsteife Fasern ersetzt, so wird die Schubsteifigkeit um ca. 20 bis 60% gesteigert. Die Festigkeiten in der 0°- und 90°-Orientierung bleiben unverändert, wenn die Bruchdehnung der ±45° orien­ tierten Lagen aus hochsteifen Fasern größer ist als die Bruchdehnung des 0°-orientierten Anteils der Verbunde aus hochfesten Fasern.
Für die Faserorientierungswinkel 0°/±45°/90° ist ein Tole­ ranzbereich bis jeweils ±15° zulässig, da innerhalb dieses Bereichs eine Dehnung des hochfesten (HT-high tensile, Zugfestigkeit, Bruchdehnung) und hochsteifen (HM-high modulus, hoher E-Modul) Faserverbundes noch verträglich ist. Bei Vergrößerung des Toleranzbereichs ist eine volle Belast­ barkeit des Faserverbundes nicht mehr gewährleistet.
Durch das Mischen von in ihren Eigenschaften unterschied­ lichen Fasern können die den Fasern anhaftenden Nachteile eliminiert und ihre Vorteile voll ausgenutzt werden. Derartige Faserverbundwerkstoffe sind in der Summe ihrer Eigenschaften besser als herkömmliche, weil mit ihnen mehr Gewicht eingespart und/oder mehr Sicherheit erreicht wird. Selbstverständlich können die Fasern in der 0°- und/oder 90-Orientierung hochsteif und in der ±45°-Orientierung hochfest sein, wenn hohe Normal- und geringe Schubsteifig­ keit gefordert sind.
Die Kohlenstoff-, Synthetik- und Keramikfasern werden nach den Eigenschaften dieser Werkstoffe wie Festigkeit, Dehnung und Steifigkeit ausgewählt.
Die Auswahl der Fasern erfolgt entsprechend ihren charak­ teristischen Eigenschaften. Für die hochfesten (HT)-Fasern ist eine Zugfestigkeit zwischen 2400 und 7500 N/mm², vor­ zugsweise zwischen 3500 und 5500 N/mm² und ein E-Modul zwischen 200 000 und 350 000 N/mm², vorzugsweise zwischen 230 000 und 300 000 N/mm² gefordert und für die hochsteifen (HM)-Fasern eine Festigkeit zwischen 1800 und 3000 N/mm², vorzugsweise 2000 und 2400 N/mm² und ein E-Modul zwischen 300 000 und 700 000 N/mm², vorzugsweise zwischen 400 000 und 550 000 N/mm².
Folgend ist eine Prinzipdarstellung typischer Eigenschaften von hochfesten (HT-high tensile, Zugfestigkeit, Bruchdehnung) und hochsteifen (HM-high modulus, hoher E-Modul) Kohlenstoff­ faserverbundwerkstoffen in vier Diagrammen gezeigt.

Claims (5)

1. Faserverbundwerkstoff, bestehend aus einem multidirek­ tionalen Faserlaminat mit in 0°, ±45° und 90° orientier­ ten Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in der 0°- und/oder 90°-Orientie­ rung, bezüglich Zugfestigkeit und Bruchdehnung, hochfest und in der ±45°-Orientierung, bezüglich E-Modul, hoch­ steif sind, wobei für die angegebenen Faserorientierungs­ winkel eine Toleranz bis jeweils ±15° vorgesehen ist.
2. Faserverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in 0°- und/oder 90°-Orientierung hochsteif und in ±45°-Orientierung hochfest sind.
3. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern, bezüglich Festig­ keit und Steifigkeit, ausgewählte Kohlenstoffasern sind.
4. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern, bezüglich Festig­ keit und Steifigkeit, ausgewählte Synthetik- oder Keramikfasern sind.
5. Faserverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfesten Fasern eine Zugfestigkeit zwischen 2400 und 7500 N/mm², vorzugs­ weise zwischen 3500 und 5500 N/mm² und einen E-Modul zwischen 200 000 und 350 000 N/mm², vorzugsweise zwi­ schen 230 000 und 300 000 N/mm² aufweisen und die hochsteifen Fasern eine Festigkeit zwischen 1800 und 3000 N/mm², vorzugsweise 2000 und 2400 N/mm² und einen E-Modul zwischen 350 000 und 700 000 N/mm², vorzugsweise zwischen 400 000 und 550 000 N/mm² auf­ weisen.
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