DE3880687T2

DE3880687T2 - Rohrfoermiger aufbau aus verbundwerkstoff.

Info

Publication number: DE3880687T2
Application number: DE19883880687
Authority: DE
Inventors: Michael Fellman; James Joseph Jarvis
Original assignee: Dexter Corp
Current assignee: Dexter Corp
Priority date: 1988-11-25
Filing date: 1988-11-25
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2008-11-26
Also published as: DE3880687D1; EP0370147A1; EP0370147B1

Description

Kurze Beschreibung der Erfindung

Ein rohrförmiger Syntaktikschaum-Prepreg-Verbundwerkstoff umfaßt einen syntaktischen Schaum aus Mikroblasen in einem Matrixharz in Bindung an ein verträgliches Harz das eine Kohlenstoffaser-Prepeg enthält. Außergewöhnliche Eigenschaften erreicht man bei rohrförmigen Konstruktionen aus dieser Kombination im Gegensatz zu rohrförmigen Konstruktionen von vergleichbarem Aufbau, jedoch ohne Benutzung dieser Kombination.

Hintergrund der Erfindung

SynCore , das von Hysol Grafil Company, Pittsburg, CA 94565, U.S.A., vertrieben wird, ist ein syntaktischer Schaumfilm, der die Stelle von kostspieligeren Prepreg-Lagen in Strukturen von kritischer Steifigkeit einnimmt. Dieser syntaktische Schaum ist ein Verbundwerkstoff, der aus Mikroblasen in einem Matrixharz besteht. Es können sehr verschiedenartige Mikroblasen und Matrices zu SynCore -Werkstoffen kombiniert werden. Glas ist der üblichste Mikroblasen-Bauwerkstoff; aber es wurden auch mit Quarz, Phenolharz, Kohlenstoff, thermoplastischem Harz und Metall beschichtete Mikroblasen verwendet. Epoxyharze, die bei 350ºF (177ºC) und 250ºF (121ºC) härten, sind die üblichsten Matrixharze, jedoch wurden Matrices aus Bismaleimid (BMI), Phenolharz, Polyester, PMR-15-Polyimid und Harze mit endständigem Acetylen zur Herstellung von Syncore -Produkten eingesetzt. Infolge der großen Vielfalt von Materialien, die mit Erfolg SynCore -Produkte ergeben, können diese fiir unterschiedliche Anwendungen nach Maß hergestellt werden. Es ist eine SynCore -Version verfügbar, die zu sammen mit allen bekannten, erhältlichen, wärmegehärteten Verbundstoff-Laminierharzen aushärtet. SynCore ergibt in isotropischen Schaumstrukturen eine ausgezeichnete Dünnfilmform. SynCore erlaubt es, Sandwichkern-Konzepte in dönnerer Dimension als bisher möglich einzusetzen. Die Dickengrenze bei Wabenkernen ist etwa 0,125 Zoll (etwa 3,18 mm). SynCore ist verfügbar in Dicken von 0,007 bis 0,125 Zoll (0,18 bis 3,18 mm); es kann jedoch auch in Form dünnerer oder dickerer Blätter hergestellt werden. Andere Kernmaterialien, wie Holz und Schaumfolie, können dünn hergestellt werden, sind aber nicht streckformbar und erfordern zur Bindung an die Partner-Verbundstoffkomponenten einen teuren/schweren Klebstoffilm. Außerdem besitzt SynCore eine ausgezeichnete Dickengleichmäßigkeit, die es erlaubt, die Qualität des Verbundstoffs zu gewährleisten, in dem es als Komponente benutzt wird. SynCore dient im typischen Fall zum Ersatz von Prepreg- Lagen, wenn man die Steifigkeit durch zunehmende Dicke steigern will.
Die Gestaltung mit SynCore ist unkompliziert, weil alle Analyseverfahren, die auf andere Kernmaterialien, wie Wabenmaterialien anwendbar sind, auch darauf anzuwenden sind. Die Biegesteifigkeit von flachen Platten und Balken steigt mit der dritten Potenz der Dicke, was eine leichtere und steifere Schichtstoffbildung als aus Prepreg-Schichten alleine erlaubt. Da SynCore auf Volumenbasis im typischen Fall weniger als die Hälfte einer vergleichbaren Kohlenstoff-Prepreg kostet, führt es auch zu einem billigeren Schichtstoff. Dies wird durch die folgenden Punkte erläutert:
1) Die Hinzuf[igung einer Lage von 0,020 Zoll (0,51 mm) Syn-Core und die Wegnahme einer Prepreg-Lage ändern das Gewicht und die Kosten nicht wesentlich, verdoppeln aber fast die Biegesteifigkeit.
2) Die Hinzufügung einer Lage von 0,020 Zoll (0,51 mm) Syn-Core und die Wegnahme von drei Prepreg-Lagen verringern die Kosten und das Gewicht ganz beträchtlich bei einer geringen Abnahme an Steifigkeit.
3) Die Hinzufügung einer Lage von 0,040 Zoll SynCore (1,02 mm) und die Wegnahme von drei Prepreg-Lagen ergibt ein geringer es Gewicht und geringere Kosten sowie einen scharfen Anstieg der Steifigkeit.
4) Die Einführung eines gleichgerichteten Bandes erlaubt einen weiteren Qualitätsanstieg bei geringeren Kosten und geringerem Gewicht und bei fast der gleichen Dicke.
5) Eine Hybridstruktur Band/Gewebe/SynCore ergibt eine sehr attraktive Gewichts- und Kosteneinsparung in Verbindung mit einem 3,4-fachen Anstieg der Biegesteifigkeit.
SynCore wurde für dünne Verbundstrukturen bei jedweder Anwendung empfohlen, wo Biegesteifigkeit, Knickbeanspruchung oder minimale Konstruktionsabmessung angezeigt sind. Es hat sich gezeigt, daß Gewichts- und Materialkosten in Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen eingespart werden. Bei Glasfaser-Verbundwerkstoffen wurde es zur Gewichtseinsparung bei etwa den gleichen Kosten empfohlen.
Die Herstellungsverfahren bei Einsatz von SynCore sind sehr ähnlich denen von Prepregs. Da es nicht gehärtet ist, ist es bei der Erwärmung auf Raumtemperatur klebrig und sehr streckformbar und leicher aufzulegen als eine vergleichbare Prepreg- Lage. Es kann in mit leichtgewichtigen Textilgewebeträgern versehenen Formen geliefert werden, um Handhabungsschäden zu vermeiden, wenn es gefroren ist. Es erfordert wie die Prepregs Kaltlagerung, gewöhnlich bei 0ºF (-17,7ºC) oder darunter. Die verschiedenen SynCore -Typen haben gewöhnlich eine viel längere Raumtemperatur-Auszeit als ihre Begleit-Prepregs. Da die Mikroblasen ein hohes Maß an Fließkontrolle ergeben, zeigt SynCore keine unübliche Wanderung während der Härtung, wenn man normale Laminatauflage- und Gummisack-Verklebemethoden anwendet. SynCore ist weniger empfindlich gegen Änderungen des Härtungsvorgangs als eine Prepreg, was die Wahl des Verbundstoff-Härtungsvorgangs zum bestimmenden Faktor macht. Es härtet blasenfrei unter vollem Vakuum oder niedrigem (z.B. etwa 10 psi (etwa 0,69 bar)) Autoklavendruck. Es wurde bei bis zu etwa 200 psi (etwa 13,79 bar) gehärtet, ohne ein Zusammenfallen der Blasen zu zeigen.
Bei einer typischen Anwendung wird ein Sandwich aus SynCore und Prepreg, etwa eine dickere SynCore -Schicht zwischen zwei dünneren Prepreg-Schichten unter Wärme und Druck zusammengefügt, um diesen Aufbau zu einer starken Platte zu härten. Typische Sandwich-Konstruktionen dieser Art sind in den US-Patenten 4,013,810, 4,433,068 und 3,996,654 angegeben. Diese Verbundkonstruktionen werden typischerweise in flachen Platten und in trennbaren Formen hergestellt, um verschiedene gewünschte Gestaltungen zu erreichen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres oder Schlauches unter Benutzung einer Prepreg ist in dem US-Patent 4,289,168 angegeben. In diesem Patent wird die Prepreg in einer Wicklung auf einen Dorn gewickelt, der Dorn und die Wicklung werden in eine Form gelegt das Harz wird gehärtet, und der geformte rohrförmige Körper wird aus der Form entnommen, und der Dorn wird aus dem Rohr entfernt. Das Rohr besteht besteht vollkommen aus Prepreg ohne syntaktische Schaumbestandteile, wie SynCore .

Die Erfindung

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen Verbundstoffaufbau aus einem Verbundstoff mit wenigstens einer Schicht eines Prepreg- Aufbaus aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix und wenigstens einer Schicht eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum, der in einem zusammen mit der Harzmatrix der Prepreg härtbaren Matrixharz gleichmäßig verteilte, starre Mikroblasen aufweist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der rohrförmige Verbundwerkstoffaufbau mehrere Schichten eines Prepreg- Aufbaus aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix und mehrere Schichten eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum, der in einem zusammen mit der Harzmatrix der Prepreg härtbaren Matrixharz gleichmäßig verteilte starre Mikroblasen aufweist.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt der rohrförmige Verbundwerkstoffaufbau mehrere Schichten eines Prepreg-Aufbaus aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix und mehrere Schichten eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum, der in einem zusammen mit der Harzmatrix der Prepreg härtbaren Matrixharz gleichmäßig verteilte, starre Mikroblasen aufweist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt der rohrförmige Verbundwerkstoffaufbau wenigstens eine Schicht eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum, der starre Mikroblasen in einer Harzmatrix enthält, die auf einen Prepreg-Aufbau aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix auflaminiert ist und durch etwa eine (1) bis etwa zehn (10) Schichten einer solchen Prepreg von der äußeren rohrförmigen Oberfläche getrennt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorgenannte rohrförmige Verbundwerkstoffaufbau Teil einer Angelrutenkonstruktion mit verbesserter Knickbelastbarkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt einen Abschnitt einer perspektivischen Ansicht eines getrennten, geschichteten, rohrförmigen Laminataufbaus nach der Erfindung.
Figur 2 zeigt einen Schnitt einer perspektivischen Darstellung einer rohrförmigen spiralig gewundenen Laminatkonstruktion nach der Erfindung.
Figur 3 zeigt einen Abschnitt einer perspektivischen Darstellung eines getrennt geschichteten, rohrförmigen Laminataufbaus vom Sandwich-Typ nach der Erfindung.

Einzelheiten der Erfindung

Der rohrförmige Aufbau der Erfindung bietet eine Kombination unerwarteter Vorteile gegenüber Rohrkonstruktionen, die alleine aus Prepregs aufgebaut sind, nämlich:
Erhöhte Knickbelastbarkeit;
erhöhte Schlagfestigkeit;
geringere Materialkosten;
verbesserte Gestaltungsmöglichkeit;
größere Vielseitigkeit im Produktaufbau.
Die rohrförmigen Konstruktionen der Erfindung umfassen wenigstens eine (1) Schicht aus rohrförmig geformter Prepreg gleichgerichteter, hochmoduliger, endloser Filamente, die quer zur Axialrichtung des Rohres ausgerichtet sind, mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind und die Rohraußenseite bilden, und wenigstens einer isotropen Schicht eines gleichmäßig dicken Dünnfilms aus syntaktischem Schaum, der starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweist, die chemisch an diese Prepreg gebunden ist, wie etwa durch eine in dem Rohr chemisch gebundene andere Prepreg. Der Ausdruck "chemsich gebunden" bedeutet die Haftung einer Schicht in dem Rohraufbau an einer anderen durch eine assoziative, kovalente oder ionische Bindung oder Wasserstoffbindung oder eine ähnliche Bindung.
Bei den Rohrkonstruktionen der Erfindung hat der starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisende, syntaktische Schaum die Bedeutung, daß er wenigstens eine vorteilhafte Eigenschaft beisteuert, wie etwa
erhöhte Knickbelastbarkeit,
geringeres Gewicht und/oder geringere Kosten bei Beibehaltung der Biegesteifigkeit,
erhöhte Schlagfestigkeit.
Der die starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisende syntaktische Schaum sollte in der erfindungsgemäßen Rohrkonstruktion genügend dicht an der inneren Rohroberfläche angeordnet sein, damit er einen Beitrag zu den Rohreigenschaften leisten kann. In diesem Zusammenhang umfaßt der erfindungsgemäße Rohrverbundstoff wenigstens eine Schicht eines dünnen Films gleichmäßiger Dicke aus einem starre Mikroblasen in einer Harzmatrix enthaltenden syntaktischen Schaum, die auf einen Prepreg-Aufbau von Endlosfäden einer hochmoduligen Faser in einem Harzmaterial auflaminiert ist und von der äußeren Rohroberfläche durch etwa eine (1) bis etwa zehn (10) Schichten dieser Prepreg, vorzugsweise durch etwa eine (1) bis etwa fünf (5) Schichten dieser Prepreg und insbesondere durch etwa eine (1) bis etwa drei (3) Schichten dieser Prepreg getrennt ist. Es wird angenommen, daß die syntaktische(n) Schaumschicht(en) wenigstens etwa 20 Volumprozent der Wandstärke des Rohraufbaus bilden sollte(n) und in einer Dicke von etwa zwei (2) Laminatschichten von dem inneren Rohrumfang beginnen sollte.
Die Prepreg enthält Endlosfilamente aus Hochleistungsmaterialien, wie z.B. jenen mit einem Schmelzpunkt (Tm) oder einer Glasübergangstemperatur (Tg) von wenigstens etwa 130ºC. Geeignete Filamente sind z.B. Glasfilamente, Kohlenstoff- und Graphitfilamente, aromatische Polyamide (Polyphenylenterephthalamid), wie Kevlar , Metallfasern, wie Aluminium, Stahl und Wolfram, Borfasern und dergl..
Die Filamente werden im typischen Fall zu Kabeln gebündelt, und die Kabel werden zusammengelegt und zu einem relativ dünnen Blatt ausgebreitet, das mit dem Matrixharz entweder beschichtet oder imprägniert wird. Das Matrixharz ist das typische wärmehärtende oder wärmehärtbare Hochleistungsharz. Die Kombination aus dem Filament und dem Harz führt zu einer Prepreg, die zur Bildung einer modernen Verbundstoffstruktur geeignet ist. Das Harz kann irgendeins jener wärmehärtenden oder wärmehärtbaren Harze sein, die bei der Herstellung moderner Zusammensetzungen eingesetzt werden. Die gebräuchlichste Harzklasse sind die Epoxyharze. Sie basieren häufig u.a. auf einem oder mehreren Diglycidyläthern des Bisphenol-A (2,2-Bis(4-hydroxyphenyl)propan) oder des sym-Tris(4-hydroxyphenyl)propans, ihren Polyepoxid-Kondensationsprodukten, cycloaliphatischen Epoxiden, epoxy-modifizierten Novolaken (Phenol-Formaldehyd-Harzen) und den Epoxiden, die sich aus der Umsetzung von Epichlorhydrin mit Analin, o-, m- oder p-Aminophenolmethylendianalin ergeben. Beispielhafte Harze sind Epoxide, die bei 350ºF (177ºC) und 250ºF (121ºC) härten. Andere wärmehärtende oder wärmehärtbare Harze umfasssnd Bismaleimid (BMI), Phenolharz, Polyester (insbesondere die ungesättigten Polyesterharze, die typischerweise bei der SMC-Herstellung eingesetzt werden), PMR-15-Polyimid und Harze mit endständigem Acetylen haben sich bei der praktischen Durchführung der Erfindung als geeignet erwiesen.
Die Erfindung hängt nicht von dem Verfahren der Prepreg-Herstellung ab. Es können viele unterschiedliche Prepreg-Arten eingesetzt werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Der bei der praktischen Durchführung der Erfindung eingesetzte syntaktische Schaum umfaßt dünne Filme gleichmäßiger Dicke, die in einer Harzmatrix gleichmäßig dispergierte, starre Mikroblasen enthalten. Sie können irgendeiner der syntaktischen SynCore -Schäume sein. Der bei der praktischen Durchführung der Erfindung geeignete syntaktische Schaum hat erwünschtermaßen die Eigenschaft, mit der Prepreg zusammen auszuhärten. Es ist bei der Herstellung von rohrförmigen Produkten der Erfindung zu beachten, daß die Prepreg und der starre Mikroblasen in einer Harzmatrix enthaltende syntaktische Schaum vor der Bildung der rohrförmigen Konstruktion nicht vollkommen gehärtet sind und daß erst die Vereinigung nach der Bildung der gewünschten rohrförmigen Konstruktion gehärtet wird.
Der starre Mikroblasen in einer Harzmatrix enthaltende syntaktische Schaum enthält in dem ungehärteten oder teilgehärteten Matrixharz eingebettete Mikroblasen (Mikrokugeln). Das Matrixharz kann irgendeins der oben im Zusammenhang mit den Prepregs beschriebenen Harze sein. Die häufigsten Mikroblasen bestehen aus Glas, jedoch sind auch solche aus Quarz, Phenolharz, Kohlenstoff, thermoplastischem Harz und metallbeschichtete Mikroblasen einsetzbar.
Die Mikroblasen sind synthetische hohle Mikrokugeln, die einzelne runde Kugeln oder Blasen mit Durchmessern in dem Bereich von etwa 1 bis etwa 500 Mikron, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 200 Mikron, und Wandstärken von etwa 0,1 bis etwa 20 Mikron umfassen. Sie besitzen im typischen Fall Dichten in dem Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,5 g/cm³. Der die starren Mikroblasen in einer Harzmatrix enthaltende syntaktische Schaum hat demzufolge eine relativ geringe Dichte, wie etwa Dichten in dem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 0,7 g/cm³. Glas ist bei der praktischen Ausführung der Erfindung das üblichste Material für die Mikroblasen, jedoch sind auch Quarz, Phenolharz, Kohlenstoff, thermoplastisches Harz metallbeschichtete Mikroblasen in geeigneter Weise verwendbar. Der die starren Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisende syntaktische Schaum ist oft mit einer Textilgewebe-Verstärkungsschicht versehen zu dem Zweck, die Handhabung zu erleichtern und die syntaktische Schaumschicht zu verstärken. Bei der Beschreibung dieser Erfindung werden diese grobgewebten Textilgewebe als integrale Bestandteile des syntaktischen Schaums behandelt. Demzufolge umfaßt die Bezeichnung "Syntaktischer Schaum" solche die Handhabung erleichternden Schichten als Textilgewebe.
Die syntaktischen Schaumfilme haben eine Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm), und jeder Film hat eine gleichmäßige Dicke.
Im typischen Fall umfassen die erfindungsgemäßen rohrförmigen Konstruktionen nur die syntaktische Schaumkomponente und die Prepreg-Komponente Es gibt jedoch Konstruktionen, bei denen andere Materialien hinzugefügt werden können, ohne die Erfindung zu verlassen. Die Erfindung erstreckt sich auch auf den Einbau von einer oder mehreren Faservliesschichten, die mit einem Harzbindemittel versehen sind, das zusammen mit dem Harz der Prepreg und des syntaktischen Schaums härtbar ist. Diese hinzugefügten Schichten sind zur Steigerung der Schlag- und Knickfestigkeit der rohrförmigen Verbundstoffkonstruktion dienlich. Die Vliesschicht ist in der Rohrkonstruktion in Berührung mit der Prepreg- und/oder syntaktischen Schaumschicht. Vorzugsweise sind bei dieser Ausführungsform diese zusätzlichen Schichten zwischen syntaktischen Schaumschichten und/oder zwischen Prepregschichten angeordnet.
Die Vliesstoffstrukturen können aus ungesponnenen oder gesponnenen Stapelfasern einer Länge von etwa 1/4 Zoll bis etwa 3 Zoll (etwa 6,35 bis etwa 76,2 mm) durch Garnettieren und kreuzweises Schichten, Luftschichtung auf einem rotierenden Sieb oder einer endlosen Spannrahmenanordnung nach dem Verfahren der US-Patentschrift 3,538,564 unter Benutzung der Apparatur der US-Patentschriften 3,345,231 und 3,345,232 gebildet werden. Die Vliesstrukturen können dadurch mit Harz imprägniert werden, daß man das wärmehärtende Harz als Lösung in einem Lösungsmittel in die Wattierungs- oder grobgewebeartige Struktur einsprüht. Vorzugsweise wird das Vlies zuerst mit einem billigen thermoplastischen Harz aus einem Latex oder einer Wasserdispersion oder mit Stärke aus einer wässrigen Lösung gebunden, zur Fixierung der Fasern in der Vliesstruktur getrocknet, und dann wird die Vliesstruktur mit dem wärmehärtenden Harz getränkt. Das Vlies kann in der gleichen Weise durch eine grobe Textilgewebeschicht verstärkt werden, wie der syntaktische Schaum durch eine oder mehrere grobe Textilgewebeschichten verstärkt wird.
Die Rohrstrukturen können so kleine Durchmesser, wie etwa 0,1 Zoll (etwa 2,54 mm), bis zu einem so großen Durchmesser, wie 12 Zoll (304,8 mm) haben. Bei Rohren von sehr großem Durchmesser in dem Bereich von etwa ein (1) Zoll (etwa 25,4 mm) und mehr, bei denen der die starren Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisende, syntaktische Schaum weniger als 25% des Rohrvolumens bildet, liefert die Anwesenheit des syntaktischen Schaums auf Grund von Standardmessungen keinen Beitrag zur Knickfestigkeit des Verbundstoffrohres. Die Verbesserung der Schlagfestigkeit bleibt jedoch solange erhalten, wie der syntaktische Schaum dicht am Umfang der Rohrkonstruktion vorgesehen ist.
Der Verbundwerkstoff aus der Prepreg und dem starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisenden syntaktischen Schaum kann auf vielen Wegen gebildet werden, wie nachfolgend erläutert wird:
Ein zylindrischer Kern aus einem oder mehreren Filmen des starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisenden syntaktischen Schaums wird zunächst zur Bildung einer syntaktischen Schaumschicht auf eine Dornform aufgelegt, und eine oder mehrere Prepreg-Schichten werden um die zylindrische(n) syntaktische(n) Schaumschicht(en) gewickelt, um eine Prepregschicht zu bilden. Der ungehärtete Verbundstoff wird dann in einen Ofen gelegt, und der Verbundstoff wird auf die Härtungstemperatur der Harze in beiden Schichttypen gebracht. Dieser geschichtete Verbundwerkstoff ist in Figur 1 dargestellt.
Eine Prepreg-Schicht wird von einer Rolle abgewickelt, und eine Schicht des starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisenden, syntaktischen Schaumfilms wird von einer Rolle abgewickelt, und die zwei Schichten werden mit der Prepreg zuoberst und dem syntaktischen Schaum zuunterst übereinandergelegt. Die übereinandergelegten Schichten werden dann um eine Dornform gewickelt, um auf der Form eine Spiralwicklung zu bilden, wobei die Prepregschicht die Außenschicht bildet. Der ungehärtete Verbundstoff wird dann in einen Ofen gelegt, und der Verbundstoff wird auf die Härtungstemperatur der Harze in beiden Schichten gebracht. Dieser Schichtverbundstoff ist in Figur 2 dargestellt.
Ein zylindrischer Prepregkern wird zuerst auf eine Dornform gelegt, und dann wird eine zylindrische Schicht des starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisenden, syntaktischen Schaumfilms um die erste Prepregschicht auf der Dornform gewickelt. Dann werden eine oder mehrere Schichten der Prepreg um die zylindrische syntaktische Schaumschicht gewickelt. Der ungehärtete Verbundstoff wird dann in einen Ofen gelegt, und der Verbundstoff wird auf die Härtungstemperatur der Harze in beiden Schichten gebracht. Diese geschichtete Sandwich-Verbundstruktur ist in Figur 3 gezeigt.
Die Zeichnung dient zur Erläuterung einer Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Rohrkonstruktion 1 mit zwei aufgeschichteten Schichten, von denen eine die Prepreg-Schicht 3 und die andere die syntaktische Schaumfilmschicht 5 umfaßt, die beide den hohlen Innenraum 7 umgeben. Bei dieser Ausführungsform kann jede Schicht aus einer Mehrzahl von Schichten jeder der Laminatkomponenten bestehen.
Figur 2 zeigt einen spiralförmigen Rohraufbau 9 mit einer Prepreg-Schicht 11 in Bindung an eine syntaktische Schaumfilmschicht 13, die unter Bildung der Wandung des Rohres 9 spiralig gewickelt sind und den hohlen Innenraum 14 umgeben.
Figur 3 zeigt eine den hohlen Innenraum 16 umgebende rohrförmige Konstruktion 15 mit Sandwich-Schichtung. Das Rohr 15 hat eine äußere Prepreg-Schicht 17 und eine innerste Prepreg- Schicht 21, zwischen denen die syntaktische Schaumfilmschicht 19 sandwichartig eingelegt ist. In dieser Abbildung stellt die Schicht 17 eine Mehrzahl von Prepreg-Schichten dar, während die Schicht 21 durch eine einzelne Prepreg-Schicht gebildet wird.
Um die Vorteile der Erfindung zu kennzeichnen, wurde eine Anzahl von Rohren der Ausbildung nach den Figuren 1 bis 3 mit einem Innendurchmesser von 3/8 Zoll (9,53 mm) und einem zur Erreichung gleicher Steifigkeit der Rohre genügenden Außendurchmesser hergestellt. Die verglichenen Rohrkonstruktionen und die Ergebnisse der Vergleiche bezüglich ihrer Bewertungen der Steifigkeit, des Gewichts und der Kosten sind in der folgenden Tabelle angegeben: Prepreg¹ SynCore Rohrausführung Steifigkeit Gewicht Kosten Glasfaser Typ S-Glas kein Hysol Grafil Fig. HG9822-1 ² 0,007 Zoll (0,18 mm) dick Prepreg¹ SynCore Rohrausführung Steifigkeit Gewicht Kosten Glasfaser Typ S-Glas Kohlenstofffaser Hysol Grafil XA-S³ Hysol Grafil Fig. HG9822-1 0,007 Zoll (0,18 mm) dick kein 1. Das Harz war Hysol LR100-801-Epoxyharz mit einer Härtungstemperatur von 250ºF (121ºC), das von der Hysol Division, The Dexter Corporation, P.O.Box 312, Pittsburg, CA 94565 vertrieben wird. 2. Vertrieb durch Hysol Grafil Company, P.0.Box 312, Pittsburg, CA 94565. 3. Vertrieb durch Hysol Grafil Gompany, P.0.Box 312, Pittsburg, CA 94565.
Die Rohrform muß nicht zylindrisch sein. Sie kann teilweise konisch, teilweise kugelförmig oder ein Gemisch runder Formen sein. Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung Struktureller Vorteile bei runden und rundartigen Verbundwerkstoffstrukturen, bei denen die Anwesenheit von syntaktischem Schaum in Form eines gleichmäßigen Films aus starren Mikroblasen in einer Harzmatrix als Schichtbestandteil für den Aufbau von Vorteil ist.
Bei den gängigen Anwendungsgebieten für Sportartikel sind die erfindungsgemäßen rohrförmigen Verbundstoffe für eine breite Produktpalette nützlich. Sie können verwendet werden für Kohlenstoff-Prepreg-Angelruten von großem Durchmesser (z.B. 1,5 Zoll (38,1 mm)), um die erreichbare Knickbelastbarkeit zu erhöhen. Sie können in Spinnaker-Bäumen verwendet werden, wo die Steifigkeit und die Knickfestigkeit wichtig sind. Die rohrförmigen Verbundwerkstoffe können als Rohr für den Strömungsmitteltransport, Pfosten, Achsstangen, Kühlmittel- oder Heizrohre und dergl. verwendet werden.
Bei dem Verfahren der Erfindung werden die Schichten des starre Mikroblasen in einer Harzmatrix aufweisenden, syntaktischen Schaumfilms und der Prepreg spiralig auf einen Dorn gewickelt, die Schichten werden gehärtet, und der Dorn wird entfernt. Die Schichten können über die ganze Rohrwand oder einen Teil der Rohrwand sich überlappend oder durchschossen angeordnet sein. Das Rohr kann auf seiner ganzen Länge zylindrisch sein, oder es kann sich verjüngen. Wenn sich das Rohr verjüngt, kann sich die Wandstärke längs der Rohrachse ändern. Die Dornentfernung kann in üblicher Weise erfolgen, etwa durch axiales Herausziehen eines schwach konischen Dorns oder unter Benutzung eines durch Luft ausdehnbaren Dorns und Entspannung der die Ausdehnung der Dornoberfläche bewirkenden Luft, so daß sich der Dorn von der inneren Oberfläche des gehärteten Rohres genügend zurückzieht und das Abziehen des Rohres oder des Dorns, je nach Wunsch, möglich ist.
Prepreg-Werkstoffe sind gehärtet relativ fest und relativ schwer und haben Zugmoduln in dem Bereich von 6 x 10&sup6; psi (0,42 x 10&sup6; kg/cm²) für E-Glas/Epoxid bis über 30 x 10&sup6; psi (2,11 x 10&sup6; kg/cm²) für Graphit/Epoxid bei einer Dichte in dem Bereich von 1,46 bis 1,8. Syntaktische Schäume mit starren Mikroblasen in einer Harzmatrix sind gehärtet viel weniger steif und dicht bei einem Modul von etwa 400 000 psi (28122,8 kg/cm²) und einer Dichte in dem oben angegebenen Bereich.

Claims

1. Rohrförmiger Verbundwerkstoffaufbau aus einem Verbundstoff mit wenigstens einer Schicht eines Prepreg-Aufbaus aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix und wenigstens einer Schicht eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum, der in einem zusammen mit der Harzmatrix der Prepreg härtbaren Matrixharz gleichmäßig verteilte, starre Mikroblasen aufweist.

2. Rohrförmiger Verbundwerkstoffaufbau nach Anspruch 1, bei dem der Aufbau mehrere Schichten eines Prepreg-Aufbaus aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix und wenigstens eine Schicht eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum umfaßt, der in einem zusammen mit der Harzmatrix der Prepreg härtbaren Matrixharz gleichmäßig verteilte, starre Mikroblasen aufweist.

3. Rohrförmiger Verbundwerkstoffaufbau nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der rohrförmige Verbundwerkstoffaufbau mehrere Schichten eines Prepreg-Aufbaus aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix und mehrere Schichten eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum umfaßt, der in einem zusammen mit der Harzmatrix der Prepreg härtbaren Matrixharz gleichmäßig verteilte, starre Mikroblasen aufweist.

4. Rohrförmiger Verbundwerkstoffaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der rohrförmige Verbundstoff der Erfindung wenigstens eine Schicht eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum umfaßt, der starre Mikroblasen in einer Harzmatrix enthält, die auf einen Prepreg-Aufbau aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix laminiert ist und durch etwa eine (1) bis etwa zehn (10) Schichten einer solchen Prepreg von der äußeren rohrförmigen Oberfläche getrennt ist.

5. Rohrförmiger Verbundwerkstoffaufbau nach Anspruch 4, bei dem der rohrförmige Verbundstoff der Erfindung wenigstens eine Schicht eines dünnen Films einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum umfaßt, der starre Mikroblasen gleichmäßig in einer Harzmatrix dispergiert enthält, die auf einen Prepreg-Aufbau aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix laminiert ist und durch etwa eine (1) bis etwa fünf (5) Schichten einer solchen Prepreg von der äußeren rohrförmigen Oberfläche getrennt ist.

6. Rohrförmiger Verbundwerkstoffauf bau nach Anspruch 5, bei dem der rohrförmige Verbundwerkstoff der Erfindung wenigstens eine Schicht mit einem dünnen Film einer gleichmäßigen Dicke in dem Bereich von etwa 0,007 bis etwa 0,125 Zoll (etwa 0,18 bis etwa 3,18 mm) aus syntaktischem Schaum umfaßt, der starre Mikroblasen gleichmäßig in einer Harzmatrix dispergiert enthält, die auf einen Prepreg-Aufbau aus Endlosfäden aus hochmoduliger Faser in einer Harzmatrix laminiert ist und durch etwa eine (1) bis etwa drei (3) Schichten einer solchen Prepreg von der äußeren rohrförmigen Oberfläche getrennt ist.

7. Rohrförmiger Verbundwerkstoffaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der rohrförmige Verbundwerkstoffauf bau Teil einer Angelkonstruktion mit verbesserter Knickbelastbarkeit ist.