DE3933715A1 - Zusammengesetztes material aus kohlenstoff - Google Patents
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Description
Aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material gehört einer
Gruppe von Materialien an, die aus Kohlenstoff-Fasern in
einer Kohlenstoffmatrix bestehen. Diese Materialien haben
erwünschte Eigenschaften, insbesondere bei hohen
Temperaturen. Beispielsweise wird nicht nur die Festigkeit
bei Temperaturen bis 2000°C beibehalten, sondern
tatsächlich noch erhöht gegenüber dem Wert bei
Raumtemperatur. Jedoch oxydiert das Material in einer
oxydierenden Atmosphäre bei Temperaturen über 500°C,
wodurch es schnell Masse und Festigkeit verliert.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die
Oxydation zu verhindern, wie mittels Additiven und
Beschichtungen, jedoch mit unterschiedlichem Erfolg. Eine
bekannte Beschichtung verwendet ein undurchlässiges
hitzebeständiges Material wie Siliziumkarbid oder
Siliziumnitrit. Ein Problem bei einem solchen Material ist,
daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient viel höher ist
als der thermische Ausdehnungskoeffizient des aus
Kohlenstoff zusammengesetzten Materials in axialer Richtung
der Kohlenstoff-Fasern. Dementsprechend tendieren Überzüge
aus hitzebeständigem Material zur Rißbildung und zum
Abblättern aufgrund der unterschiedlichen Expansion oder
Kontraktion des zusammengesetzten Materials gegenüber der
Beschichtung, wenn das zusammengesetzte Material
Temperaturänderungen ausgesetzt wird. Dieses Problem
existiert bei zusammengesetzten Materialien verschiedener
Art einschließlich jener, bei denen die Fasern unregelmäßig
angeordnet sind, insbesondere aber dann, wenn die Fasern im
wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, und um so
mehr, wenn die Fasern so ausgerichtet sind, daß sie alle im
wesentlichen in einer Richtung liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material
vorzusehen, das in verringertem Maße zur Rißbildung oder
zum Abblättern der Beschichtung aufgrund von
Temperaturänderungen neigt. Weiterhin soll ein
beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material
vorgeschlagen werden, das einen erwünschten
Ausdehnungskoeffizienten wenigstens in einem gegebenen
Bereich aufweist.
Erfindungsgemäß weist ein beschichtetes, aus Kohlenstoff
zusammengesetztes Material Kohlenstoff-Fasern in einer
Kohlenstoffmatrix auf und es enthält auch in wenigstens
einem Bereich andere Fasern mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten in Achsrichtung, der
unterschiedlich ist von dem der Kohlenstoff-Fasern, wobei
die anderen Fasern bezüglich der angrenzenden Kohlenstoff-
Fasern so angeordnet sind, daß sich in Verbindung mit der
Kohlenstoffmatrix der erforderliche thermische
Ausdehnungskoeffizient dieses Bereichs des
zusammengesetzten Materials ergibt, wobei dieser Bereich
des zusammengesetzten Materials mit einer antioxydierenden
Beschichtung überzogen ist.
Um die Probleme zu überwinden, die bei den oben erwähnten
bekannten antioxydierenden Beschichtungen auftreten, kann
erfindungsgemäß in einem aus Kohlenstoff zusammengesetzten
Material eine Zwischenschicht vorgesehen sein, die andere
Fasern umfaßt, die in einer Kohlenstoffmatrix eingebettet
sind, wobei diese anderen Fasern aus einem Material
bestehen, das vorzugsweise einen höheren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten hat als den der Kohlenstoff-
Fasern, mit dem Ergebnis, daß die Zwischenschicht einen
höheren Ausdehnungskoeffizienten hat als die verbleibenden
Teile des aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials.
Zweckmäßigerweise kann die Zwischenschicht oder
Grenzschicht auch Kohlenstoff-Fasern enthalten. Der
thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht kann
so ausgelegt werden, daß er zwischen dem eines Kernbereichs
des aus Kohlenstoff-Fasern zusammengesetzten, verstärkten
Materials und dem der antioxydierenden Beschichtung liegt.
Wenn die Kohlenstoff-Fasern in einem Oberflächenbereich
des aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials, das an die
Zwischenschicht angrenzt, eine bevorzugte Orientierung
haben, so daß sie im wesentlichen in einer gemeinsamen
Ebene oder Richtung ausgerichtet sind, sind vorzugsweise
die anderen Fasern und übrigen Kohlenstoff-Fasern der
Zwischenschicht jeweils in entsprechender Weise im
wesentlichen ausgerichtet angeordnet.
Andererseits können die Fasern aus einem Material mit
höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten durch die
Kohlenstoffmatrix hindurch eingelagert sein, so daß ein
Gemisch aus Kohlenstoff-Fasern und anderen Fasern dem
gesamten Material einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten verleiht, der unterschiedlich von
dem eines ähnlichen zusammengesetzten Materials ist, das
nur Kohlenstoff-Fasern enthält. Wenn die Kohlenstoff-Fasern
eine bevorzugte Orientierung haben, so daß sie im
wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene oder Richtung
ausgerichtet angeordnet sind, sind vorzugsweise die anderen
Fasern in entsprechender Weise im wesentlichen ausgerichtet
angeordnet.
Bei diesen Ausführungsbeispielen können übliche Verfahren
zum Ablagern und Verfestigen, beispielsweise chemische
Dampfablagerung (CVD) eingesetzt werden, um die
Kohlenstoffmatrix um die Kohlenstoff-Fasern und die anderen
Fasern der Verstärkungseinlage anzubringen.
Ein Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft das Vorsehen
einer antioxydierenden Beschichtung an freiliegenden
Umfangslaufflächen von Kohlenstoffscheiben einer aus
mehreren Scheiben aufgebauten Flugzeugscheibenbremse. Bei
dieser Anwendung können die Kohlenstoffscheiben oder
wenigstens jene Abschnitte oder Oberflächenbereiche der
Scheiben, die der Oxydation ausgesetzt sind,
erfindungsgemäß so ausgebildet werden, daß sie einen
höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben als den
eines normalen aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials,
wobei die antioxydierende Beschichtung auf diese Abschnitte
oder Oberflächenbereiche aufgebracht wird.
Es ist auch möglich, daß für bestimmte Anwendungsgebiete
ein niedrigerer thermischer Ausdehnungskoeffizient
erwünscht ist. Bei solchen Anwendungen können Fasern aus
einem Material mit einem niedrigeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten in Verbindung mit den Kohlenstoff-
Fasern verwendet werden.
Das Einlagern von Kohlenstoff- und anderen Fasern in einem
Gewebe kann durch an sich bekannte Techniken vorgenommen
werden, wie sie in der Textilindustrie gebräuchlich sind.
Nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel enthält
ein beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes
Element 10, das in Fig. 1 im Schnitt und teilweise
aufgebrochener perspektivischer Ansicht in Fig. 2
wiedergegeben ist, Zwischenschichten 2 zwischen den oberen
und unteren Hauptflächen eines üblichen aus Kohlenstoff
zusammengesetzten Materialkerns 3 und eine antioxydierende
Beschichtung 1 auf den freiliegenden Hauptflächen der
Zwischenschicht 2. Äußere Bereiche 8 a des Kerns weisen
Kohlenstoff-Fasern auf, die überwiegend so angeordnet sind,
daß sie sich in der Ebene der Fig. 1 in einer Richtung
Seite an Seite, wie dargestellt, erstrecken, während die
Fasern der angrenzenden Zwischenschichten 2 in
entsprechender Weise ausgerichtet sind.
Die Zwischenschichten, die in das Element während dessen
Herstellung ( durch ein CVD-Verfahren ) eingebaut werden,
umfassen ein Gewebe aus "Nicalon", Warenzeichen für
durchgehende Fasern aus Siliziumcarbid, hergestellt durch
NIPPON CARBON CO. LTD. Die Hersteller geben einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,1×10-6/°C für
dieses Material an, während normale aus Kohlenstoff
zusammengesetzte Materialien in der Achsrichtung der Fasern
einen Ausdehnungskoeffizienten von -1 bis +1×10-6/°C
haben.
Eine Abdeckschicht 1 aus Siliziumcarbid, die auf die
Zwischenschichten aufgebracht ist, hat einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 5×10-6/°C. Bei
diesem Beispiel hat eine Schicht aus Siliziumcarbidfasern
in einer Kohlenstoffmatrix einen Ausdehnungskoeffizienten,
der zwischen denen der Beschichtung und des aus Kohlenstoff
zusammengesetzten Kerns liegt.
Die Abdeckschicht umfaßt zusätzlich Randabschnitte 1′ an
den Randbereichen des Kerns und der Zwischenschichten.
Es wäre möglich, den erwünschten Ausdehnungskoeffizienten
dadurch zu erhalten, daß man ein zusammengesetztes Material
aufbaut, in dem eine Kohlenstoffmatrix nur mit
beispielsweise Siliziumcarbidfasern verstärkt ist. Jedoch
sind Kohlenstoff-Fasern erheblich billiger als
Siliziumcarbid-Fasern und auch die Festigkeitseigenschaften
von Siliziumcarbid fallen bei 1000°C ab, während
Kohlenstoff-Fasern ihre Festigkeit bis auf 2000°C
beibehalten. Gemäß der Erfindung wird somit eine relativ
billige und wirksame Lösung des Problems der Rißbildung und
des Abschälens der antioxydierenden Beschichtung
vorgeschlagen.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet für den Aufbau von
Kohlenstoffscheiben für Flugzeugbremsen. Die Beschichtung
kann an den freiliegenden Laufflächen vorgesehen werden, um
diese vor Oxydation zu schützen.
Claims (9)
1. Beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes
Material (10), das Kohlenstoff-Fasern in einer
Kohlenstoffmatrix aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß es
wenigstens in einem Bereich (2) andere Fasern mit einem
unterschiedlichen axialen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem der Kohlenstoff-
Fasern aufweist, wobei diese anderen Fasern relativ zu den
angrenzenden Kohlenstoff-Fasern so angeordnet sind, daß
sich in Verbindung mit der Kohlenstoffmatrix ein
geforderter thermischer Ausdehnungskoeffizient dieses
Bereichs des zusammengesetzten Materials ergibt, wobei
dieser Bereich des zusammengesetzten Materials mit einer
antioxydierenden Beschichtung (1) überzogen ist.
2. Aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material nach Anspruch
1,
dadurch gekennzeichnet, daß der axiale
Ausdehnungskoeffizient der anderen Fasern größer ist als
der der Kohlenstoff-Fasern.
3. Material nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern in einer
Zwischenschicht (2) vorgesehen sind, welche diese anderen
Fasern eingebettet in einer Kohlenstoffmatrix umfaßt.
4. Material nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der thermische
Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht (2) zwischen
dem der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Matrix (3) und
dem der antioxydierenden Beschichtung (1) liegt.
5. Material nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern durch die
gesamte Kohlenstoffmatrix hindurch eingelagert sind.
6. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern aus
Siliziumcarbid bestehen.
7. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern im
wesentlichen ausgerichtet angeordnet sind, so daß sie in
einer gemeinsamen Ebene oder Richtung liegen.
8. Material nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene oder Richtung der
Ausrichtung der anderen Fasern im wesentlichen parallel
zur Ebene oder Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoff-
Fasern des zusammengesetzten Materials (10) ist.
9. Flugzeugscheibenbremse,
dadurch gekennzeichnet, daß sie ein beschichtetes, aus
Kohlenstoff zusammengesetztes Material nach einem der
vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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